使用4000系列數(shù)字熒光示波器進行電源測量

引言

電源分成許多不同的類型和規(guī)格，包括傳統(tǒng)線性電源到高效的開關(guān)電源（SMPS）。所有這些電源都面臨著復(fù)雜的動態(tài)工作環(huán)境。設(shè)備負載和需求在不同時間之間可能會大幅度變化。即使是“日常的”開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠遠超過平均工作電流的峰值電流。

此外，必須檢定電源的功率電平、輸出純度和到電源線的諧波反饋，以滿足國家和地區(qū)電源質(zhì)量標準。從歷史上看，這些測量類型意味著使用數(shù)字萬用表進行靜態(tài)電流和電壓測量，然后在計算器或PC上進行麻煩的計算。

今天，大多數(shù)工程師正轉(zhuǎn)向示波器作為首選的電源測量平臺。本應(yīng)用指南將重點介紹怎樣使用示波器進行基本電源測量。

準備電源測量

對習(xí)慣使用示波器進行高帶寬測量的工程師來說，電源測量頻率相對較低，似乎非常簡單。事實上，電源測量也有很多高速電路設(shè)計人員從未見過的一系列挑戰(zhàn)。經(jīng)過開關(guān)設(shè)備的電壓可能會非常大，而且是“浮動的”，即沒有參考接地。信號的脈寬、周期、頻率和占空比會變化，必須如實地捕獲波形，分析其不理想特點。

示波器必須具有基本帶寬和采樣率，處理SMPS內(nèi)部的開關(guān)頻率。電源測量要求示波器至少有兩條通道，一條用于電壓測量，一條用于電流測量。提高電源測量簡便程度和可靠性的工具也同樣非常重要。下面是部分考慮因素：

• 是否提供安全精確的電壓和電流探測解決方案？
• 是否有一種快速方式，調(diào)節(jié)探頭的不同延遲？
• 是否有使探頭偏置達到最小的有效流程？
• 儀器能否配備充足的記錄長度，以高分辨率捕獲很長的工頻波形？

這些特點為有效執(zhí)行電源設(shè)計測量奠定了基礎(chǔ)。

安全準確地探測電壓波形和電流波形

在使用數(shù)字示波器進行電源測量時，必須測量設(shè)備中的電壓及電流。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只電壓探頭(通常是高壓差分探頭)，一只電流探頭。圖1顯示了開關(guān)式電源(SMPS)中的典型測量方案。在范圍在幾kHz到幾MHz的時鐘驅(qū)動下，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)控制著電流。

測量經(jīng)過MOSFET的電流相對簡單，可以使用許多不同的泰克霍爾效應(yīng)電流探頭完成，如TCP0030。而測量電壓則會面臨更多的問題。MOSFET沒有連接到交流電源接地或電路輸出接地上。因此，不可能使用示波器進行接地參考電壓測量，因為把探頭的地線連接到任何MOSFET端子上都會使通過示波器接地的電路短路。

進行差分測量是測量MOSFET電壓的最佳方式。在差分測量中，可以測量漏極到源極電壓(VDS)，即MOSFET漏極和源極端子中的電壓。VDS可以位于幾十伏到幾百伏電壓的頂部，具體視電源的范圍而定。

可以通過多種方法測量VDS：

• 浮動示波器的機箱接地。絕對不要采用這種方式，因為這種非常不安全，會給用戶、被測設(shè)備和示波器帶來危險。
• 使用傳統(tǒng)無源單端探頭，把地線相互連接起來，使用示波器的通道匹配功能。這種測量方式稱為準差分測量。但是，無源探頭與示波器的放大器結(jié)合使用時，不能提供充分阻塞任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)。盡管用戶可能很想使用這種方法，因為可以使用已有的探頭，但它并不能準確地測量電壓。
• 使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機箱接地。探頭的地線不再位于接地電位，可以把探頭直接連接到測試點上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但它成本高，通常是差分探頭的2～5倍。
• 使用真正差分探頭。高壓差分探頭(如泰克P5205)可以準確安全地測量VDS。

消除電壓探頭和電流探頭之間的時滯

每只電壓探頭和電流探頭都有自己的特性傳播延遲。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱為時滯，會導(dǎo)致幅度和定時測量不準確。

必須了解探頭的傳播延遲對最大峰值功率和面積測量的影響，因為功率是電壓和電流的乘積。如果兩個相乘的變量沒有完美對準，那么會得到不正確的結(jié)果。在探頭沒有正確“校正時滯”時，測量精度會下降，如開關(guān)損耗。

消除探頭偏置

差分探頭一般會有較小的電壓偏置。這會影響精度，在繼續(xù)測量前必須消除這個電壓偏置。大多數(shù)差分電壓探頭擁有內(nèi)置的DC偏置調(diào)節(jié)控制功能，可以相對簡單地消除偏置。

在預(yù)熱后：

• 把示波器設(shè)置成測量電壓波形的平均值。
• 選擇實際測量中將使用的靈敏度(垂直)設(shè)置。
• 在不存在信號的情況下，把平均電平調(diào)節(jié)到0V(或盡可能接近0V)。

類似的，必須在執(zhí)行測量前調(diào)節(jié)電流探頭。

在消磁后：

• 把示波器設(shè)置成實際測量中將使用的垂直靈敏度。
• 在不存在信號的情況下，關(guān)閉電流探頭。
• 把DC平衡調(diào)節(jié)到零。
• 把平均值調(diào)節(jié)到0A或盡可能接近0A。

注意，某些探頭(如支持TekVPI的TCP0030)內(nèi)置了自動消磁/自動清零程序，用戶只需在探頭comp盒上按一個按鈕就可以了。

記錄長度在電源測量中的作用

示波器捕獲測量期間事件的能力取決于使用的采樣率及存儲采集的信號樣點的存儲器的深度(記錄長度)。存儲器的填充速度與采樣率直接成正比。在采樣率設(shè)置得足夠高時，存儲器會迅速填充。對許多電源測量，必須捕獲1/4周期或1/2周期(90°或180°)的工頻信號；有些測量甚至要求捕獲整個周期。泰克4000系列示波器標配10M樣點的記錄長度，可以輕松地滿足這一需求。

然而，比長記錄長度更重要的是提供能夠利用所有這些數(shù)據(jù)的工具。4000系列的WaveInspector是一套為輕松處理長記錄設(shè)計的工具。直觀的前面板Zoom和Pan控制功能可以迅速查看采集的波形的任何部分?？梢允褂们懊姘錝et/ClearMarks按鈕，把書簽放在波形上感興趣的點，然后使用前面板Previous(-)和Next(->)按鈕瀏覽波形。最后，強大的搜索功能可以找到和標記整個長采集中發(fā)生的每個用戶指定標準。例如，我們使用4000系列全部10M點記錄長度，以4ns分辨率捕獲AC電源兩個周期期間的每個門驅(qū)動脈沖。這一采集包含大約4000個脈沖。在輸入幾個簡單的搜索參數(shù)后，如通道1上的正脈沖，寬度小于2μs，門限為3.7V，WaveInspector會迅速識別滿足標準的17個脈沖，并在格線頂部用白色三角形標出了這些波形。然后通過再次使用前面板Previous和Next按鈕，我們可以迅速從一個事件跳到另一個事件。有了WaveInspector以前需要幾小時完成的工作，現(xiàn)在只需幾秒鐘就可以完成。

開關(guān)式電源基礎(chǔ)知識

大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中流行的DC電源結(jié)構(gòu)是開關(guān)式電源，這些電源因能夠高效處理變化的負載而聞名。典型SMPS的電源“信號路徑”包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了損耗元件的使用，如電阻器和線性模式晶體管，而重點使用沒有損耗(理想情況下)的元件：開關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。

SMPS設(shè)備還包括一個控制段，其中包含脈寬調(diào)制穩(wěn)定器、脈沖速率調(diào)制穩(wěn)定器和反饋環(huán)路等單元?？刂贫慰梢杂凶约旱碾娫础D1是簡化的SMPS示意圖，其中顯示了包括有源單元、無源單元和磁性單元的電源轉(zhuǎn)換段。

SMPS技術(shù)依托電源半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，如金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。這些設(shè)備提供了快速開關(guān)時間，能夠耐受沒有規(guī)律的電壓峰值。同樣重要的是，其在On狀態(tài)或Off狀態(tài)下消耗的功率非常小，實現(xiàn)了很高的效率，而生成的熱量很低。開關(guān)設(shè)備在極大程度上決定著SMPS的整體性能。開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵測量項目包括開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。

基本參數(shù)測量

盡管開關(guān)設(shè)備的功耗非常重要，但電源設(shè)計人員還需關(guān)注電源操作的許多其他方面，如基本幅度和定時測量，這在歷史上一直通過計算格數(shù)、然后乘以標度系數(shù)完成?，F(xiàn)代示波器提供了許多自動測量功能，可以使用這些功能測量上述基本電源操作參數(shù)。4000系列包括下述自動測量。

• 幅度測量：幅度、高、低、最大值、最小值、RMS、峰到峰值、正/負過沖、平均值、周期平均值、周期RMS。
• 定時測量：周期、頻率、上升/下降時間、正/負占空比、正/負脈寬、突發(fā)寬度、延遲、相位。
• 綜合測量：面積和周期面積。

幅度測量適用于測量輸入和輸出電壓，如VRMS、平均值、峰到峰值和周期RMS。定時測量可以幫助檢定驅(qū)動信號行為，如脈寬和頻率。綜合測量計算電源波形下的面積，確定能量損耗。通過打開測量統(tǒng)計，可以確定長期變化，查看測量期間的最小值、最大值、平均值和標準偏差。測量瞬時功率

檢定開關(guān)晶體管中的瞬時功耗是幾乎每個電源設(shè)計項目的一部分。選擇能夠在最壞操作情況下經(jīng)濟可靠地運行的元件至關(guān)重要(如圖1中的電源MOSFET)。泰克TekVPI電流和電壓探測解決方案為這些測量提供了理想選擇。除提供安全測量解決方案外，它們還提供了非常簡便的時滯校正功能。通過TekVPI探頭，可以在工廠中測量傳播延遲，然后把傳播延遲存儲在探頭的內(nèi)存中。在TekVPI探頭連接到4000系列時，它們會自動設(shè)置相應(yīng)的時滯校正值，在電源測量中實現(xiàn)最大精度。也可以使用每條通道垂直菜單中的時滯校正功能，手動校正非TekVPI探頭的時滯。TekVPI接口進一步簡化了電源測量，它自動為電壓波形和電流波形及以瓦特為單位的演算波形提供正確的標度和單位。4000系列只需幾個簡單的步驟，就可以測量瞬時功率：

• 連接探頭；
• 按Autoset，示波器自動調(diào)節(jié)垂直設(shè)置、水平設(shè)置和觸發(fā)設(shè)置，以查看波形；
• 把演算波形定義為Ch1*Ch2；
• 打開Area測量，測量曲線下的面積(能量)；
• 光標讀數(shù)表明瞬時功率。通過使用測量選通，我們可以把Area測量限制在特定區(qū)域，查看與MOSFET的啟動時間(Ton)和關(guān)閉(Toff)時間有關(guān)的功率損耗。

安全工作區(qū)

晶體管的安全工作區(qū)(SOA)定義了設(shè)備在不會自行損壞的情況下工作的條件。如果超過這些限制，晶體管可能會失效。SOA還包括其他設(shè)備限制，如最大電壓、最大電流、功率、平均聯(lián)接溫度、二級故障等。

開關(guān)設(shè)備制造商的產(chǎn)品技術(shù)資料會概括對開關(guān)設(shè)備的某些限制。其目標是保證開關(guān)設(shè)備將容忍電源在最終用戶環(huán)境中必須處理的工作邊界。SOA測試變量可能包括各種負荷方案、工作溫度變化、高和低線路輸入電壓等?？梢允褂?000系列，在XY畫面中繪制電壓對電流曲線，查看SOA。

測量線路諧波

開關(guān)電源一般會生成以奇數(shù)階為主的諧波，直到電網(wǎng)。其影響具有累積性特點，隨著連接到電網(wǎng)的開關(guān)電源越來越多(如辦公室中增加更多的臺式電腦)，返回電網(wǎng)的諧波失真的總百分比會上升。由于這種失真會導(dǎo)致熱量在電網(wǎng)的線纜和變壓器中積聚，因此必須使諧波達到最小。業(yè)內(nèi)制定了IEC61000-3-2等法規(guī)標準，監(jiān)控來自特定非線性負荷的電源質(zhì)量。

由于標配快速傅里葉變換(FFT)功能，4000系列提供了杰出的諧波分析工具。具有FFT功能的示波器的經(jīng)濟性要遠遠高于購買專用諧波分析儀，而且允許使用熟悉的儀器來做另一項工作。4000系列采用FFT，以類似頻譜分析儀的方式顯示信號頻率成分。它甚至可以在屏幕上同時顯示信號波形及頻域等效波形，這通常很有裨益。可以使用MATH按鈕菜單下的FFT特定菜單，簡便地控制4000系列FFT。可以在活動信號上或調(diào)用的存儲波形上執(zhí)行FFT。

這一程序并不比進行普通波形測量困難。在這種情況下，由于信號是一個重復(fù)的周期波形(而不是某種瞬態(tài)信號)，因此觸發(fā)和顯示信號非常簡單。應(yīng)至少顯示五個周期，以保證良好的頻率分辨率，垂直標度應(yīng)設(shè)置成信號占用顯示屏上盡可能多的垂直格。用戶配置的參數(shù)包括垂直標度和FFT窗口格式?？梢允褂镁匦未翱?、Hamming窗口、Hanning窗口和Blackman-Harris窗口，每種口適用特定的信號類型。對周期重復(fù)的信號，如本例中的信號，Hamming窗口通常是最佳窗口。FFT顯示的垂直標度可以是線性標度或?qū)?shù)標度。

利用4000系列示波器對電源負荷電流的諧波進行分析，可以使用光標，測量各個頻率成分或頻率的幅度。在許多電源設(shè)計項目中，非常重要的一個部分是證明滿足電源質(zhì)量法規(guī)標準。4000系列提供了全系列存儲和打印功能，幫助用戶完成這一工作。專用HARDCOPY按鈕把屏幕截圖發(fā)送到連接示波器USB端口的打印機上，還可以使用各種格式把圖像保存到U盤或CompactFlash卡中。

調(diào)試電源

數(shù)字化示波器在電源測量領(lǐng)域中非常常見，但4000的數(shù)字熒光采集技術(shù)在調(diào)試時有著很大的差異，特別是在識別開關(guān)電源的調(diào)制效應(yīng)過高時。4000系列的波形捕獲速率要比典型的數(shù)字存儲示波器(DSO)高出許多倍。在考察調(diào)制效應(yīng)時，這提供了兩個優(yōu)勢。首先，示波器在大多數(shù)情況下是活動的，只用很少的時間處理波形進行顯示。因此，示波器捕獲調(diào)制的機會提高了數(shù)百倍。其次，數(shù)字熒光顯示可以更簡便地實時查看被調(diào)制波形。4000顯示屏?xí)訌娦盘柷€經(jīng)過頻次最高的區(qū)域，這在很大程度上與模擬示波器類似。調(diào)制要比連續(xù)重復(fù)的主要波形暗。

可以使用4000系列簡單地查看調(diào)制影響。圖3顯示了控制著電源中電流模式控制環(huán)路輸出的被調(diào)制信號。調(diào)制在控制環(huán)路的反饋系統(tǒng)中具有重要意義。但是，調(diào)制太多會導(dǎo)致環(huán)路變得不穩(wěn)定。注意，在調(diào)制頻次較低的區(qū)域中，波形較暗。

用4000系列捕獲瞬態(tài)信號也非常簡單。其邊沿觸發(fā)功能為設(shè)置跳變沿、電平、耦合和觸發(fā)延遲提供了所需的全部靈活性。如果被測電源已經(jīng)集成到系統(tǒng)中，可能要觸發(fā)系統(tǒng)中其他地方的“問題”信號，監(jiān)測電源上的測試點，查看是否有同時發(fā)生的瞬態(tài)信號。

當(dāng)然，電源的DC輸出還必須干凈，沒有瞬態(tài)信號。4000系列的滾動模式與峰值檢測功能相結(jié)合，為查看低速信號或DC電平上的畸變提供了最佳的工具。滾動模式從左到右慢慢地滾動曲線，這在很大程度上與帶狀記錄紙、記錄器類似。它以非常慢的掃描速度生成清楚明亮的曲線。峰值檢測功能允許示波器捕獲最窄1ns的毛刺，甚至支持較低的掃描速度。這兩種功能相結(jié)合，得到了一個穩(wěn)定有效的曲線，可以立即揭示瞬態(tài)信號。

總結(jié)

電源測量不再是功率計和諧波分析儀等專用工具的專屬領(lǐng)地。4000系列數(shù)字熒光示波器與各種電壓探頭和電流探頭相結(jié)合，為現(xiàn)代開關(guān)式電源提供了安全的測量和調(diào)試解決方案。