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示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。 ?對那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因?yàn)槠漕l率相對較低。實(shí)際上，電源測量中也有很多高速電路設(shè)計(jì)師從來不必面對的挑戰(zhàn)。
示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。
對那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因?yàn)槠漕l率相對較低。實(shí)際上，電源測量中也有很多高速電路設(shè)計(jì)師從來不必面對的挑戰(zhàn)。
整個(gè)開關(guān)設(shè)備的電壓可能很高，而且是“浮動(dòng)的”，也就是說，不接地。信號的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會(huì)變化。必須如實(shí)捕獲并分析波形，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時(shí)需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲(chǔ)器，以提供長時(shí)間低頻采集結(jié)果的記錄空間。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號。
準(zhǔn)備進(jìn)行電源測量
準(zhǔn)備進(jìn)行開關(guān)電源的測量時(shí)，一定要選擇合適的工具，并且設(shè)置這些工具，使它們能夠準(zhǔn)確、可重復(fù)地工作。當(dāng)然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應(yīng)SMPS的開關(guān)頻率。電源測量最少需要兩個(gè)通道，一個(gè)用于電壓，一個(gè)用于電流。有些設(shè)施同樣重要，它們可以使電源測量更容易、更可靠。下面是一部分要考慮的事項(xiàng)：
儀器能在同一次采集中處理開關(guān)器件的開通和斷開電壓嗎?這些信號的比例可能達(dá)到100,000:1。
有可靠、準(zhǔn)確的電壓探頭和電流探頭嗎?有可以校正它們的不同延遲的有效方法嗎?
有沒有有效的方法來將探頭的靜態(tài)噪聲降至最低?
儀器能夠配備足夠的記錄長度，以很高的采樣速率捕獲較長的完整工頻波形嗎?
這些特征是進(jìn)行有意義且有效的電源設(shè)計(jì)測量的基礎(chǔ)。
測量一次采集中的100伏和100毫伏電壓
要測量開關(guān)器件的開關(guān)損耗和平均功率損耗，示波器首先必須分別確定在斷開和開通時(shí)開關(guān)器件上的電壓。
在AC/DC變流器中，開關(guān)器件上的電壓動(dòng)態(tài)范圍非常大。開通狀態(tài)下開關(guān)器件上通過的電壓取決于開關(guān)器件的類型。在MOSFET管中，開通電壓為導(dǎo)通電阻和電流的乘積。在雙極結(jié)型晶體管(BJT)和IGBT器件中，該電壓主要取決于飽和導(dǎo)通壓(VCEsat)。斷開狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開關(guān)變換器的拓?fù)洹橛?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)的典型直流電源使用80Vrms到264Vrms之間的通用市電電壓。
在最高輸入電壓下開關(guān)器件上的斷開狀態(tài)電壓(TP1和TP2之間)可能高達(dá)750V。在開通狀態(tài)，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1伏之間。顯示了開關(guān)器件的典型信號特性。
為了準(zhǔn)確地進(jìn)行開關(guān)器件電源測量，必須先測量斷開和開通電壓。然而，典型的8位數(shù)字示波器的動(dòng)態(tài)范圍不足以在同一個(gè)采集周期中既準(zhǔn)確采集開通期間的毫伏級信號，又準(zhǔn)確采集斷開期間出現(xiàn)的高電壓。要捕獲該信號，示波器的垂直范圍應(yīng)設(shè)為每分度100伏。在此設(shè)置下，示波器可以接受高達(dá)1000V的電壓，這樣就可以采集700V的信號而不會(huì)使示波器過載。使用該設(shè)置的問題在于最大靈敏度(能解析的最小信號幅度)變成了1000/256，即約為4V。
泰克DPOPWR軟件解決了這個(gè)問題，用戶可以把設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)中的RDSON或VCEsat值輸入圖4所示的測量菜單中。如果被測電壓位于示波器的靈敏度范圍內(nèi)，DPOPWR也可以使用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而不是使用手動(dòng)輸入的值。
MDO 3000
消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)間偏差
要使用數(shù)字示波器進(jìn)行電源測量，就必須測量MOSFET開關(guān)器件漏極、源極間的電壓和電流，或IGBT集電極、發(fā)射極間的電壓。該任務(wù)需要兩個(gè)不同的探頭：一支高壓差分探頭和一支電流探頭。后者通常是非插入式霍爾效應(yīng)型探頭。這兩種探頭各有其獨(dú)特的傳輸延遲。這兩個(gè)延遲的差(稱為時(shí)間偏差)，會(huì)造成幅度測量以及與時(shí)間有關(guān)的測量不準(zhǔn)確。一定要了解探頭傳輸延遲對最大峰值功率和面積測量的影響。畢竟，功率是電壓和電流的積。如果兩個(gè)相乘的變量沒有很好地校正，結(jié)果就會(huì)是錯(cuò)誤的。探頭沒有正確進(jìn)行“時(shí)間偏差校正”時(shí)，開關(guān)損耗之類測量的準(zhǔn)確性就會(huì)影響。
表明了探頭時(shí)滯影響的實(shí)際示波器屏幕圖。它使用泰克P52051.3kV差分探頭和TCP0030AC/DC電流探頭連接到DUT上。電壓和電流信號通過校準(zhǔn)夾具提供。說明了電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯，顯示了在沒有校正兩個(gè)探頭時(shí)滯時(shí)獲得的測量結(jié)果(6.059mW)。顯示了校正探頭時(shí)滯的影響。兩條參考曲線重疊在一起，表明已經(jīng)補(bǔ)償了延遲。中的測量結(jié)果表明了正確校正時(shí)滯的重要性。這一實(shí)例表明，時(shí)滯引入了6%的測量誤差。準(zhǔn)確地校正時(shí)滯降低了峰到峰功率損耗測量誤差。
DPOPWR電源測量軟件可以自動(dòng)校正所選探頭組合的時(shí)間偏差。該軟件控制示波器，并通過實(shí)時(shí)電流和電壓信號調(diào)整電壓通道和電流通道之間的延遲，以去除電壓探頭和電流探頭之間傳輸延遲的差別。
還可以使用一種靜態(tài)校正時(shí)間偏差的功能，但前提是特定的電壓探頭和電流探頭有恒定、可重復(fù)的傳輸延遲。靜態(tài)校正時(shí)間偏差的功能根據(jù)一張內(nèi)置的傳輸時(shí)間表，自動(dòng)為選定探頭(如本文檔中討論的Tektronix探頭)調(diào)整選定電壓和電流通道之間的延遲。該技術(shù)提供了一種快速而方便的方法，可以將時(shí)間偏差降至最小。
消除探頭零偏和噪聲
差分探頭和電流探頭可能會(huì)有很小的偏置。應(yīng)在測量前消除這一偏置，因?yàn)樗鼤?huì)影響測量精度。某些探頭采用內(nèi)置的自動(dòng)方法消除偏置，其它探頭則要求手動(dòng)消除偏置。
自動(dòng)消除偏置
配有TekVPITM探頭接口的探頭與示波器相結(jié)合，可以消除信號路徑中發(fā)生的任何DC偏置誤差。在TekVPITM探頭上按Menu按鈕，示波器上出現(xiàn)ProbeControls框，顯示AutoZero功能。選擇AutoZero選項(xiàng)，會(huì)自動(dòng)清除測量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差。TekVPITM電流探頭還在探頭機(jī)身上有一個(gè)Degauss/AutoZero按鈕。壓下AutoZero按鈕，會(huì)消除測量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差。
手動(dòng)消除偏置
大多數(shù)差分電壓探頭都有內(nèi)置的直流零偏修整控制，這使消除零偏成為一件相對簡單的步驟：準(zhǔn)備工作完成之后，接下來：
將示波器設(shè)置為測量電壓波形的平均值;
選擇將在實(shí)際測量中使用的靈敏度(垂直)設(shè)置;
不加信號，將修整器調(diào)為零，并使平均電平為0V(或盡量接近0V)。
相似地，在測量前必須調(diào)節(jié)電流探頭。在消除零偏之后：
將示波器靈敏度設(shè)置為實(shí)際測量中將要使用的值;
關(guān)閉沒有信號的電流探頭;
將直流平衡調(diào)為零;
把中間值調(diào)節(jié)到0A或盡可能接近0A;
注意，這些探頭都是有源設(shè)備，即使在靜態(tài)，也總會(huì)有一些低電平噪聲。這種噪聲可能影響那些同時(shí)依賴電壓和電流波形數(shù)據(jù)的測量。DPOPWR軟件包包含一項(xiàng)信號調(diào)節(jié)功能，可以將固有探頭噪聲的影響降至最低。
記錄長度在電源測量中的作用
示波器在一段時(shí)間內(nèi)捕獲事件的能力取決于所用的采樣速率，以及存儲(chǔ)采集到的信號樣本的存儲(chǔ)器的深度(記錄長度)。存儲(chǔ)器填充的速度和采樣速率成正比。如果為了提供詳細(xì)的高分辨率信號而將采樣速率設(shè)得很高，存儲(chǔ)器很快就會(huì)充滿。
對很多SMPS電源測量來說，必須捕獲工頻信號的四分之一周期或半個(gè)周期(90或180度)，有些甚至需要整個(gè)周期。這是為了積累足夠的信號數(shù)據(jù)，以在計(jì)算中抵消工頻電壓波動(dòng)的影響。
識(shí)別真正的Ton與Toff轉(zhuǎn)換
為了精確地確定開關(guān)轉(zhuǎn)換中的損耗，首先必須濾除開關(guān)信號中的振蕩。開關(guān)電壓信號中的振蕩很容易被誤認(rèn)為開通或關(guān)斷轉(zhuǎn)換。這種大幅度振蕩是SMPS在非持續(xù)電流模式(DCM)和持續(xù)電流模式(CCM)之間切換時(shí)電路中的寄生元件造成的。
簡化形式表示出了一個(gè)開關(guān)信號。這種振蕩使示波器很難識(shí)別真正的開通或關(guān)斷轉(zhuǎn)換。一種解決方法是預(yù)先定義一個(gè)信號源進(jìn)行邊沿識(shí)別、一個(gè)參考電平和一個(gè)遲滯電平，根據(jù)信號復(fù)雜度和測量要求的不同，也可以將測得信號本身作為邊沿電平的信號源。或者，也可以指定某些其它的整潔的信號。
在某些開關(guān)電源設(shè)計(jì)(如有源功率因數(shù)校正變流器)中，振蕩可能要嚴(yán)重得多。DCM模式大大增強(qiáng)了振蕩，因?yàn)殚_關(guān)電容開始和濾波電感產(chǎn)生共振。僅僅設(shè)置參考電平和磁滯電平可能不足以識(shí)別真正的轉(zhuǎn)換。
這種情況下，開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號可以確定真正的開通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換，這樣就只需要適當(dāng)設(shè)置柵極驅(qū)動(dòng)信號的參考電平和磁滯電平。
