用數(shù)字熒光示波器對(duì)開關(guān)電源功率損耗進(jìn)行精確分析

隨著電子產(chǎn)品對(duì)開關(guān)電源需求不斷增長，下一代開關(guān)電源的功率損耗測(cè)量分析也越來越重要。本文介紹如何將數(shù)字熒光示波器和功率測(cè)量軟件結(jié)合起來，迅速測(cè)定開關(guān)電源的功率損耗，并輕松地完成各項(xiàng)所需的測(cè)量和分析任務(wù)。

高速GHz級(jí)處理器需要新型開關(guān)電源(SMPS)提供高電流和低電壓，這給電源設(shè)計(jì)人員在效率、功率密度、可靠性和成本等方面增加了新的壓力。為了在設(shè)計(jì)中考慮這些需求，設(shè)計(jì)人員紛紛采用同步整流技術(shù)、有源功率濾波校正和提高開關(guān)頻率等新型體系結(jié)構(gòu)，但這些技術(shù)也隨之帶來了一些新的難題，如開關(guān)上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC等。

從“關(guān)”(導(dǎo)通)至“開”(關(guān)斷)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間，電源會(huì)出現(xiàn)較高的功率損耗；而處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)之中開關(guān)功率損耗則較少，因?yàn)橥ㄟ^電源的電流或電源上的電壓很小。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負(fù)載電流，但電感器和變壓器也易受開關(guān)頻率的影響，從而導(dǎo)致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。

功率損耗分析

由于開關(guān)電源內(nèi)部消耗的功率決定了電源熱效應(yīng)的總體效率，所以測(cè)定開關(guān)裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項(xiàng)極為重要的測(cè)量工作，它可測(cè)定功率效率和熱耗散。

設(shè)計(jì)人員在精確測(cè)量和分析各種設(shè)備的瞬時(shí)功率損耗時(shí)，會(huì)面臨下面一些困難：

• 需要測(cè)試裝置對(duì)功率損耗進(jìn)行精確測(cè)量
• 如何校正電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲所造成的誤差
• 如何計(jì)算非周期性開關(guān)變化的功率損耗
• 如何分析負(fù)載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗
• 如何計(jì)算電感器或變壓器的磁芯損耗

測(cè)試裝置

圖1為開關(guān)變換簡(jiǎn)化電路圖，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管在40kHz時(shí)鐘激勵(lì)下控制著電流。圖中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地的連接，即與地隔離，因此無法用示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的接地參考電壓測(cè)量。因?yàn)槿舭烟筋^的接地導(dǎo)線連接在MOSFET任何端子上，都會(huì)使該點(diǎn)通過示波器與地短路。

在這種情況下，差分測(cè)量是測(cè)量MOSFET電壓波形的最好方法。通過差分測(cè)量，可測(cè)定VDS即MOSFET漏極和源極的電壓。VDS可在電壓之上浮動(dòng)，電壓范圍為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍?？赏ㄟ^下面幾種方法測(cè)量VDS：

1. 懸浮示波器的機(jī)箱地線。建議不要使用，因?yàn)檫@樣不安全，對(duì)用戶、被測(cè)設(shè)備和示波器都有危險(xiǎn)。
2. 使用兩個(gè)常規(guī)單端無源探頭，將其接地導(dǎo)線連接在一起，然后用示波器的通道計(jì)算功能進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量法叫做準(zhǔn)差分測(cè)量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結(jié)合使用，但缺少避免共模電壓“共模抑制比”(CMRR)功能。這種設(shè)置不能準(zhǔn)確測(cè)量電壓，不過可使用已有的探頭，不必購買新配件。
3. 購買一個(gè)探頭隔離器隔離示波器機(jī)箱接地。探頭接地導(dǎo)線將不再為接地電位，并可將探頭與測(cè)試點(diǎn)直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但比較昂貴，其成本是差分探頭的二至五倍。
4. 在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。可通過差分探頭精確地測(cè)量VDS，這也是最好的方法。

通過MOSFET進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，先將電流探頭夾好，然后微調(diào)測(cè)量系統(tǒng)，許多差分探頭都裝有內(nèi)置的直流偏移微調(diào)電容器。關(guān)閉被測(cè)設(shè)備，待示波器和探頭完全預(yù)熱后，可設(shè)定示波器測(cè)量電壓和電流波形的平均值。敏感度設(shè)置應(yīng)使用實(shí)際測(cè)量所用的數(shù)值，在沒有信號(hào)的情況下，調(diào)整微調(diào)電容器，將每個(gè)波形的零位平均值調(diào)至0V。這一步驟可最大限度減少因測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。