使用差分來測試開關(guān)模式電源

在從墻壁插座到被供電設(shè)備的過程中，電力通常通過開關(guān)模式電源，其中交流信號(hào)在到達(dá)設(shè)備之前被整流為直流。之后，直流信號(hào)（通常為 5 V）被傳遞到設(shè)備 PC 板上的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以將各種電壓饋送到設(shè)備供電網(wǎng)絡(luò)的分支。讓我們看一下與測試開關(guān)模式電源相關(guān)的一些測量技術(shù)和注意事項(xiàng)。

圖 1. 顯示的是一個(gè)基本開關(guān)模式電源電路，左側(cè)帶有用于交流輸入的二極管/電容器整流器，后面是由 PWM 控制器驅(qū)動(dòng)的開關(guān)晶體管，該控制器確定在遠(yuǎn)端看到多少直流功率。變壓器。
基本的開關(guān)電源電路是什么樣的？在圖 1 中，左側(cè)的輸入側(cè)以二極管和電容器開始，用于整流交流輸入。接下來是一個(gè)開關(guān)晶體管（通常是 MOSFET），由脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器驅(qū)動(dòng)，該控制器確定變壓器遠(yuǎn)端有多少直流功率。其中一些信號(hào)被饋送到運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器向 PWM 調(diào)制器提供反饋，以便它可以根據(jù)負(fù)載正確調(diào)整直流電壓。
可以在變壓器的兩側(cè)進(jìn)行多種測量。在不以地為參考的輸入側(cè)，測量包括：
　　浪涌電流
　　電能質(zhì)量
　　線路電源
　　開關(guān)損耗
　　安全操作區(qū)
　　控制回路
　　動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻
　　在以地為參考的輸出側(cè)，測量值包括：
　　階躍負(fù)載響應(yīng)
　　波紋
　　變壓器BH（磁化）
　　飽和
　　關(guān)斷特性
　　測量電壓
開關(guān)模式電源上的電壓提出了一些測量挑戰(zhàn)。它們涵蓋從毫伏到千伏的寬動(dòng)態(tài)范圍。在輸入側(cè)，它們不以地為參考。您必須關(guān)心電路負(fù)載的影響。而且，這本來就是一個(gè)嘈雜的環(huán)境；該噪聲可能會(huì)耦合到您的探頭和/或您要測量的信號(hào)中。
使用通用示波器和典型的 10 MΩ 無源探頭，測量電壓時(shí)會(huì)遇到以下問題：如果要探測 MOSFET，應(yīng)將接地線連接到哪里？例如，如果 V GS的一側(cè)為 +175 V  ，另一側(cè)為 -175 V，則沒有真正的接地。當(dāng)然，您可以將地連接到一側(cè)，但這可能會(huì)導(dǎo)致短路。探頭的接地線連接到示波器外殼，示波器外殼通過示波器電源線中的地線連接到大地（圖 2）。這會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路在攔截任何雜散磁場時(shí)就像短路的變壓器匝一樣。當(dāng)然，承載高電流的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生這些場。

圖 2. 探頭的接地線連接到示波器外殼，示波器外殼通過示波器電源線中的地線接地。這會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路在攔截任何雜散磁場時(shí)就像短路的變壓器匝一樣。
接地環(huán)路中的循環(huán)電流會(huì)在環(huán)路內(nèi)的任何阻抗上產(chǎn)生電壓。對(duì)于交流元件，主要的損耗元件是感性的。探頭的接地引線形成一個(gè)電感器，該電壓的交流分量出現(xiàn)在該電感器上。因此，示波器探頭輸入處的電壓不等于探頭處的電壓。示波器測量 BNC 連接器處的電壓，而不是探頭的電壓。
解決這個(gè)問題的方法是使用真正的差分放大器，它可以為不以地為參考的信號(hào)提供的測量質(zhì)量（圖 3）。差分放大器的輸出以地為參考，因此示波器保持安全接地。放大器的兩個(gè)輸入均為高阻抗，限度地減少了電容負(fù)載對(duì)電路操作和測量的影響。

圖 3. 接地環(huán)路問題的解決方案是使用真正的差分放大器，它可以為不以接地為參考的信號(hào)提供的測量質(zhì)量。
差分放大器接收兩個(gè)輸入信號(hào)并將它們相減，從而無需接地。它還具有消除兩個(gè)探頭上的任何公共信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)（共模抑制）。因此，MOSFET 開關(guān)耦合的噪聲通常會(huì)進(jìn)入兩個(gè)探頭并被抵消。 Teledyne LeCroy 的 DA1855A 是此類應(yīng)用中常用的差分放大器的一個(gè)示例。