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

校正傳導(dǎo)延遲誤差

在開(kāi)關(guān)電源內(nèi)進(jìn)行功率損耗測(cè)量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號(hào)，以消除傳導(dǎo)延遲，這一點(diǎn)很重要，該過(guò)程稱作“偏移校正”。傳統(tǒng)方法是先計(jì)算電壓和電流信號(hào)之間的時(shí)滯，然后再以手動(dòng)方式通過(guò)示波器的偏移校正范圍調(diào)整時(shí)滯。但這是一個(gè)非常冗長(zhǎng)乏味的過(guò)程。

一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法是采用一種偏移校正夾具并選擇合適的示波器，如TDS5000系列示波器。進(jìn)行偏移校正時(shí)，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測(cè)試點(diǎn)上，偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號(hào)激勵(lì)，如果需要還可用外部信號(hào)源激勵(lì)偏移校正夾具。

另外在示波器上還可使用相應(yīng)的測(cè)量軟件，利用其偏移校正能力自動(dòng)設(shè)置示波器并計(jì)算由于探接造成的傳導(dǎo)延遲。偏移校正功能隨后可使用示波器偏移校正范圍，對(duì)時(shí)滯進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，測(cè)試設(shè)置準(zhǔn)備好后就可開(kāi)始進(jìn)行精確測(cè)量了。圖2顯示了偏移校正之前和之后的電流和電壓信號(hào)。

非周期性開(kāi)關(guān)信號(hào)功率損耗

如果發(fā)射極或漏極有接地，測(cè)量動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)參數(shù)則較為簡(jiǎn)單，但需在浮動(dòng)電壓上測(cè)量差動(dòng)電壓。若要精確測(cè)定并測(cè)量差動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)，最好使用差分探頭，可通過(guò)霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿過(guò)開(kāi)關(guān)的電流而無(wú)需干擾電路本身，此時(shí)也可用測(cè)量軟件的自動(dòng)偏移校正功能去除上述傳導(dǎo)延遲。

測(cè)量軟件的“開(kāi)關(guān)損耗”功能可自動(dòng)計(jì)算功率波形，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)測(cè)量開(kāi)關(guān)的最小、最大和平均功率損耗，在分析開(kāi)關(guān)功耗時(shí)，這些數(shù)據(jù)非常有用。如圖3所示，數(shù)據(jù)顯示為Turn on Loss、Turn off Loss和Power Loss。如果知道了接通和斷開(kāi)時(shí)的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功耗。

在負(fù)載變化期間，SMPS的控制回路將變換開(kāi)關(guān)頻率以驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載。請(qǐng)注意，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，開(kāi)關(guān)裝置的功耗也隨之變化，所產(chǎn)生的功率波形將是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件很枯燥的任務(wù)，不過(guò)測(cè)量軟件的高級(jí)測(cè)量功能可自動(dòng)計(jì)算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，為用戶提供開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)信息。

負(fù)載動(dòng)態(tài)變化功耗分析

在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，電源裝置會(huì)連續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)負(fù)載變化，所以測(cè)量中很重要的一步是要捕獲整個(gè)負(fù)載變化事件，并對(duì)開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行測(cè)定，以確保電源裝置不會(huì)因這些原因而過(guò)載。

當(dāng)今大部分設(shè)計(jì)人員都采用具有深度存儲(chǔ)(2MB)和高取樣率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的難題，是如何分析在各開(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)上所生成的大量數(shù)據(jù)，這時(shí)也可利用測(cè)量軟件加以解決，圖4是在開(kāi)關(guān)電源上通過(guò)測(cè)量軟件獲得的典型功率波形結(jié)果。

在圖中可以看到捕獲數(shù)據(jù)中的開(kāi)關(guān)事件次數(shù)和開(kāi)關(guān)損耗最大值/最小值，此時(shí)用戶可輸入感興趣的范圍，以此查看所需的開(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點(diǎn)，軟件便可在深度存儲(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點(diǎn)，找到后在光標(biāo)位置周圍放大，以詳細(xì)觀察其活動(dòng)。該功能加上前面提及的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量功能可使用戶迅速有效地分析開(kāi)關(guān)裝置的功率耗散情況。

電磁元件的功率損耗

另一種減少功率損耗的方法與磁芯有關(guān)。從典型AC/DC和DC/DC線路圖來(lái)看，電感器和變壓器是耗散功率的其它組件，不僅會(huì)影響功率效率，而且可造成熱耗散。

電感器的測(cè)試通常采用LCR計(jì)，它使用正弦波作為測(cè)試信號(hào)。但在開(kāi)關(guān)電源里，電感器加載的是高壓高電流開(kāi)關(guān)信號(hào)，都不是正弦信號(hào)，因此電源設(shè)計(jì)人員需監(jiān)測(cè)實(shí)際通電的電感器或變壓器特性，此時(shí)用LCR計(jì)進(jìn)行的測(cè)試可能無(wú)法反映實(shí)際情況。

觀察磁芯特征最有效方法是通過(guò)B-H曲線，因?yàn)锽-H曲線能迅速揭示電源內(nèi)電感器的特性。在電源接通和穩(wěn)態(tài)期間，電感器和變壓器表現(xiàn)出不同的行為特征。在過(guò)去，若想查看和分析B-H特征，設(shè)計(jì)人員須先捕獲信號(hào)，然后在個(gè)人電腦上作進(jìn)一步的分析，而現(xiàn)在可通過(guò)測(cè)量軟件直接在示波器上進(jìn)行B-H分析，即時(shí)觀察電感器行為特征。在做深入分析時(shí)，該軟件還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標(biāo)鏈接(圖5)。

B-H分析能力還可在實(shí)際SMPS環(huán)境中自動(dòng)測(cè)量功率損耗和電感器值。若需推導(dǎo)電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯及次磁芯上進(jìn)行功率損耗測(cè)量，結(jié)果之差就是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外在無(wú)負(fù)載情況下，主磁芯功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內(nèi)的總功率損耗，這些測(cè)量值可進(jìn)一步揭示功率耗散區(qū)的信息。