利用數字示波器測試開關電源的方法

來源：互聯網  作者：秩名2014年04月17日 10:10

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[導讀] 從傳統的模擬型電源到高效的開關電源，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復雜、動態的工作環境。設備負載和需求可能在瞬間發生很大變化。即使是“日用的”開關電源，也要能夠承受遠遠超過其平均工作電平的瞬間峰值。

關鍵詞：電源測試數字示波器開關電源

　　從傳統的模擬型電源到高效的開關電源，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復雜、動態的工作環境。設備負載和需求可能在瞬間發生很大變化。即使是“日用的”開關電源，也要能夠承受遠遠超過其平均工作電平的瞬間峰值。設計電源或系統中要使用電源的工程師需要了解在靜態條件以及最差條件下電源的工作情況。

　　過去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數字萬用表測量靜態電流和電壓，并用計算器或PC進行艱苦的計算。今天，大多數工程師轉而將示波器作為他們的首選電源測量平臺。現代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件，簡化了設置，并使得動態測量更為容易。用戶可以定制關鍵參數、自動計算，并能在數秒鐘內看到結果，而不只是原始數據。

　　電源設計問題及其測量需求

　　理想情況下，每部電源都應該像為它設計的數學模型那樣地工作。但在現實世界中，元器件是有缺陷的，負載會變化，供電電源可能失真，環境變化會改變性能。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設計更加復雜。考慮這些問題：

　　電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續多長時間？電源散發多少熱量？過熱時會怎樣？它需要多少冷卻氣流？負載電流大幅增加時會怎樣？設備能保持額定輸出電壓嗎？電源如何應對輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時會怎樣？

　　設計人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴格的EMI/EMC標準的電源。只有一套嚴格的測量體系才能讓工程師達到這些目標。

　　示波器和電源測量

　　對那些習慣于用示波器進行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因為其頻率相對較低。實際上，電源測量中也有很多高速電路設計師從來不必面對的挑戰。

　　整個開關設備的電壓可能很高，而且是“浮動的”，也就是說，不接地。信號的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會變化。必須如實捕獲并分析波形，發現波形的異常。這對示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲器，以提供長時間低頻采集結果的記錄空間。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。

　　開關電源基礎

　　大多數現代系統中主流的直流電源體系結構是開關電源（SMPS），它因為能夠有效地應對變化負載而眾所周知。典型SMPS的電能信號路徑包括無源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件（如電阻和線性晶體管），而主要使用（理想情況下）無損耗的元器件：開關晶體管、電容和磁性元件。

　　SMPS設備還有一個控制部分，其中包括脈寬調制調節器脈頻調制調節器以及反饋環路1等組成部分。控制部分可能有自己的電源。圖1是簡化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。

　　SMPS技術使用了金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）與絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等功率半導體開關器件。這些器件開關時間短，能承受不穩定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開通還是斷開狀態，消耗的能量都極少，效率高而發熱低。開關器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對開關器件的主要測量包括：開關損耗、平均功率損耗、安全工作區及其他。

　　準備進行電源測量

　　準備進行開關電源的測量時，一定要選擇合適的工具，并且設置這些工具，使它們能夠準確、可重復地工作。當然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應SMPS的開關頻率。電源測量最少需要兩個通道，一個用于電壓，一個用于電流。有些設施同樣重要，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：

　　儀器能在同一次采集中處理開關器件的開通和斷開電壓嗎？這些信號的比例可能達到100，000:1。

　　有可靠、準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？

　　這些特征是進行有意義且有效的電源設計測量的基礎。

　　測量一次采集中的100伏和100毫伏電壓

　　要測量開關器件的開關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開關器件上的電壓。

　　在AC/DC變流器中，開關器件上的電壓動態范圍非常大。開通狀態下開關器件上通過的電壓取決于開關器件的類型。在MOSFET管中，開通電壓為導通電阻和電流的乘積。在雙極結型晶體管（BJT）和IGBT器件中，該電壓主要取決于飽和導通壓（VCEsat）。斷開狀態的電壓取決于工作輸入電壓和開關變換器的拓撲。為計算設備設計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器件上的斷開狀態電壓（TP1和TP2之間）可能高達750V。在開通狀態，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1伏之間。顯示了開關器件的典型信號特性。

　　為了準確地進行開關器件電源測量，必須先測量斷開和開通電壓。然而，典型的8位數字示波器的動態范圍不足以在同一個采集周期中既準確采集開通期間的毫伏級信號，又準確采集斷開期間出現的高電壓。要捕獲該信號，示波器的垂直范圍應設為每分度100伏。在此設置下，示波器可以接受高達1000V的電壓，這樣就可以采集700V的信號而不會使示波器過載。使用該設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軟件解決了這個問題，用戶可以把設備技術數據中的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，DPOPWR也可以使用采集的數據進行計算，而不是使用手動輸入的值。

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