用數(shù)字熒光示波器對開關(guān)電源功率損耗進行精確分析

校正傳導(dǎo)延遲誤差

在開關(guān)電源內(nèi)進行功率損耗測量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號，以消除傳導(dǎo)延遲，這一點很重要，該過程稱作“偏移校正”。傳統(tǒng)方法是先計算電壓和電流信號之間的時滯，然后再以手動方式通過示波器的偏移校正范圍調(diào)整時滯。但這是一個非常冗長乏味的過程。

一個較簡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。進行偏移校正時，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測試點上，偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號激勵，如果需要還可用外部信號源激勵偏移校正夾具。

另外在示波器上還可使用相應(yīng)的測量軟件，利用其偏移校正能力自動設(shè)置示波器并計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，對時滯進行自動補償，測試設(shè)置準備好后就可開始進行精確測量了。圖2顯示了偏移校正之前和之后的電流和電壓信號。

非周期性開關(guān)信號功率損耗

如果發(fā)射極或漏極有接地，測量動態(tài)開關(guān)參數(shù)則較為簡單，但需在浮動電壓上測量差動電壓。若要精確測定并測量差動開關(guān)信號，最好使用差分探頭，可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿過開關(guān)的電流而無需干擾電路本身，此時也可用測量軟件的自動偏移校正功能去除上述傳導(dǎo)延遲。

測量軟件的“開關(guān)損耗”功能可自動計算功率波形，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)測量開關(guān)的最小、最大和平均功率損耗，在分析開關(guān)功耗時，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時的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功耗。

在負載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關(guān)頻率以驅(qū)動輸出負載。請注意，當負載轉(zhuǎn)換時，開關(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)，不過測量軟件的高級測量功能可自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，為用戶提供開關(guān)電源的相關(guān)信息。

負載動態(tài)變化功耗分析

在實際運行環(huán)境中，電源裝置會連續(xù)發(fā)生動態(tài)負載變化，所以測量中很重要的一步是要捕獲整個負載變化事件，并對開關(guān)損耗進行測定，以確保電源裝置不會因這些原因而過載。

當今大部分設(shè)計人員都采用具有深度存儲(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，是如何分析在各開關(guān)損耗點上所生成的大量數(shù)據(jù)，這時也可利用測量軟件加以解決，圖4是在開關(guān)電源上通過測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)中的開關(guān)事件次數(shù)和開關(guān)損耗最大值/最小值，此時用戶可輸入感興趣的范圍，以此查看所需的開關(guān)損耗點。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點，軟件便可在深度存儲數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點，找到后在光標位置周圍放大，以詳細觀察其活動。該功能加上前面提及的開關(guān)損耗測量功能可使用戶迅速有效地分析開關(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線路圖來看，電感器和變壓器是耗散功率的其它組件，不僅會影響功率效率，而且可造成熱耗散。

電感器的測試通常采用LCR計，它使用正弦波作為測試信號。但在開關(guān)電源里，電感器加載的是高壓高電流開關(guān)信號，都不是正弦信號，因此電源設(shè)計人員需監(jiān)測實際通電的電感器或變壓器特性，此時用LCR計進行的測試可能無法反映實際情況。

觀察磁芯特征最有效方法是通過B-H曲線，因為B-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。在過去，若想查看和分析B-H特征，設(shè)計人員須先捕獲信號，然后在個人電腦上作進一步的分析，而現(xiàn)在可通過測量軟件直接在示波器上進行B-H分析，即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時，該軟件還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標鏈接(圖5)。

B-H分析能力還可在實際SMPS環(huán)境中自動測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行功率損耗測量，結(jié)果之差就是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外在無負載情況下，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，這些測量值可進一步揭示功率耗散區(qū)的信息。