電源測(cè)量中示波器帶寬和采樣率的選擇

示波器帶寬有四個(gè)相關(guān)名詞：模擬帶寬、數(shù)字帶寬，系統(tǒng)帶寬和觸發(fā)帶寬。數(shù)字帶寬等于采樣率的一半，實(shí)用意義不大。觸發(fā)帶寬是示波器廠商“硬”造出來的一個(gè)概念，是指示波器觸發(fā)電路可以正常工作的最大輸入正弦信號(hào)的頻率。對(duì)于高端示波器，觸發(fā)電路在輸入信號(hào)頻率超過一定大小就不能工作了! 系統(tǒng)帶寬是指示波器前端放大器和探頭、測(cè)試夾具等組成的測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。一般不特別說明，帶寬即是指示波器的模擬帶寬,也就是示波器前端放大器的幅頻特性曲線的截止頻率點(diǎn)。示波器的放大器是低通濾波器，其幅頻特性曲線如圖1所示，帶寬就是輸入電壓幅值降低到輸入
-3dB(70.7%)時(shí)的截止頻率點(diǎn)。

· 當(dāng)被測(cè)信號(hào)是串行數(shù)據(jù)時(shí)，串行數(shù)據(jù)的上升時(shí)間如果大于20% UI（一個(gè)比特位的時(shí)間長度），那么示波器帶寬只要達(dá)到被測(cè)信號(hào)比特率的1.8倍就能覆蓋信號(hào)能量的99.9%。 如果上升時(shí)間大于30% UI,只要1.2倍信號(hào)的比特率就足夠了?，F(xiàn)實(shí)電路中，串行數(shù)據(jù)的上升時(shí)間絕大多數(shù)在接收端時(shí)都大于30%了。因此，對(duì)于3Gbps的SATA信號(hào)，在經(jīng)過夾具之后用4GHz示波器就可以。 大家可以用4GHz、6GHz、13GHz測(cè)試后比較一下看看。

·電源不是串行信號(hào)，上面的規(guī)則并不適用。 在很久很久以前，業(yè)內(nèi)一就直流傳的帶寬選擇依據(jù)是“3到5倍”法則，即帶寬是被測(cè)信號(hào)頻率的“3到5倍”。其實(shí)這里面沒有強(qiáng)調(diào)上升時(shí)間，這個(gè)法則不夠具有普適性。SI之父Howard Johnson以其個(gè)人權(quán)威給出一個(gè)從示波器上升時(shí)間來選擇帶寬的原則，但他沒有給出詳細(xì)的推導(dǎo)。

Howard認(rèn)為，當(dāng)示波器上升時(shí)間小于被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間的1/3時(shí)，測(cè)量結(jié)果的誤差小于5%。示波器上升時(shí)間約等于0.35/示波器帶寬。 這里面0.35是基于理想的低通濾波器模型RC電路推導(dǎo)的，實(shí)際可能是0.45,0.5不等。因此，我們可以根據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間推導(dǎo)出需要的示波器上升時(shí)間，再根據(jù)示波器手冊(cè)或0.35的關(guān)系式選擇示波器帶寬。

關(guān)于帶寬的選擇，業(yè)內(nèi)充斥著不專業(yè)，不負(fù)責(zé)任的言論。這是值得警惕的。

讓我們回到問題本身,關(guān)于開關(guān)電源的帶寬選擇,要看具體測(cè)量需求。開關(guān)電源需要測(cè)量的信號(hào)可能包括：

· 測(cè)量開關(guān)管（主流是MOSFET）的帶寬選擇

電源調(diào)試中，要反復(fù)測(cè)量開關(guān)管的漏源極電源Vds，驅(qū)動(dòng)電壓Vgs，漏源極電流Ids等，以確定上下開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間以防止開關(guān)管“直通”導(dǎo)致電源炸機(jī)，要測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，該波形的上升沿緩慢，開關(guān)管損耗會(huì)更大，上升沿陡，開關(guān)管損耗會(huì)更小，但漏源極過沖會(huì)更大。 最重要的測(cè)量是確保Vds的電壓峰峰值在各種動(dòng)態(tài)條件下不會(huì)超個(gè)開關(guān)管Vds的最大限值。這些動(dòng)態(tài)條件包括負(fù)載從空載到滿載，滿載到空載的跳變; 負(fù)載在50%-75%-50%,25%-50%-25%之間的來回連續(xù)的跳變，以及開機(jī)軟啟動(dòng)過程Vds的峰值電壓。這些動(dòng)態(tài)條件下準(zhǔn)確測(cè)量Vds的影響因素眾多，在此不一一細(xì)述。 這個(gè)測(cè)試項(xiàng)目在電源工程師心中的重要性我深以為然。這個(gè)值測(cè)量不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管容易被損壞，或者是開關(guān)管的耐壓值超過實(shí)際需要，影響到成本。開關(guān)管Vds額定值越大，價(jià)格越貴。 因此，很多電源工程師糾結(jié)在這里。

開關(guān)管的上升時(shí)間取決于開關(guān)管具體型號(hào)。 一般功率小的電源開關(guān)頻率可以達(dá)到1MHz甚至更大，對(duì)應(yīng)的開關(guān)管的上升時(shí)間越小。功率大的電源開關(guān)管開關(guān)頻率小，只有100KHz甚至更小，上升時(shí)間大。但是多數(shù)開關(guān)管上升時(shí)間達(dá)到了100ns。即使開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns，1/3的上升時(shí)間也有10ns,而100MHz的示波器的上升時(shí)間只有3.5ns。因此，用100MHz帶寬示波器測(cè)量開關(guān)電源的開關(guān)管是足夠的。其實(shí)，很少有開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns的，限制帶寬到20MHz就足夠了。但這點(diǎn)曾經(jīng)受到有些電源工程師的質(zhì)疑，他認(rèn)為對(duì)于Vds的高壓信號(hào)，要看尖封毛刺局部的上升時(shí)間，研究其包含的能量。

這里要特別說明的是，測(cè)量開關(guān)管特別是半橋或全橋電路的上半橋，因?yàn)槭遣粚?duì)地的懸浮高壓，一般要用高壓差分探頭測(cè)量。目前高壓差分探和電流探頭90%以上都是第三方OEM的，最大帶寬只有100MHz。雖然標(biāo)稱帶寬是100MHz，但往往不是和示波器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)的，因此，和100MHz示波器組成的系統(tǒng)帶寬只有70MHz。但如果用200MHz示波器，和100MHz的探頭組成的系統(tǒng)帶寬則可以達(dá)到100MHz，如果您認(rèn)為Vds的尖峰毛刺的信號(hào)能量是必須用100MHz測(cè)量的話。

· 測(cè)量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的帶寬選擇

有些復(fù)雜的電源系統(tǒng)，有很多電源模塊組成，需要使用DSP或者Power PC來作為控制核心。有一些外設(shè)存儲(chǔ)單元，鍵盤監(jiān)控單元等。這將涉及到時(shí)鐘信號(hào)，CAN控制信號(hào)，I2C，SPI等信號(hào)的測(cè)量。這些信號(hào)的速率除時(shí)鐘頻率外都不高。如果為了測(cè)量DSP時(shí)鐘信號(hào)，最好要選擇500MHz帶寬甚至1GHz,但電源工程師很少對(duì)這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行認(rèn)真地測(cè)量。 其它信號(hào)帶寬都只要20MHz就可以了。