信號從測試點到示波器的連接

作者：泰克科技公司，Wilson Lee

現代寬禁帶功率器件（SiC， GaN）上的開關晶體管速度越來越快，使得測量和表征成為相當大的挑戰，在某些情況下幾乎不可能實現。隔離探測技術的出現改變了這種局面，通過這一技術，設計人員終于能夠放心地測量以前回避的半橋和門驅動器波形。通過詳細了解相關挑戰，并使用適當的探測技術，電源工程師可以更加迅速、高效地表征和優化其設計。

半橋電路（圖1）廣泛用于功率電子領域的多種應用，是現代設計中有效轉換電能使用的基本電路。但是，只有在半橋、門驅動器和布線正確且優化設計時，這種電路的優勢才能得到實現。在測量結果與預期結果不一致時，可能很難提取與被測器件有關的有意義的細節。更糟糕的是，基于探頭位置和其他因素，波形可能會明顯變化，最終會讓設計人員得不償失。

圖1. 半橋電路廣泛用來在現代設計中高效轉換電能。

效率和功率密度要求經常會隨著應用設計要求變化，如是否要優化性能價格比。在功率密度中改善能效的要求，決定著設計的拓撲結構，進而影響著要考慮的測量設備和技術。表1匯總了半橋和門驅動器最重要的指標和測量。

表1. 門驅動器和半橋配置最重要的測量。

準確進行功率測量離不開測量系統在多個方面的性能，包括電壓處理、共模抑制、連接能力、溫度處理能力、測量非常小的電流的能力。盡管功率設計要求日新月異，但測試測量技術的實際發展一直有些滯后。在某些情況下，設計人員不得已開發定制測量解決方案，或只能近似獲得部分測量，忽視可能的優化。

在最基礎的層次上，這些測量使用示波器及一套相應的探頭執行。在進行準確可靠的功率測量方面，示波器幾乎不成問題。而最大的挑戰是從測試點到示波器獲得信號。因此，選擇適當的探頭完成工作至關重要，不管是無源探頭還是單端探頭，是傳統高壓差分探頭、電流探頭還是隔離探頭。

單端探頭 – 低壓側測量

大多數示波器都會配有一套無源或單端探頭。這些探頭只能準確地測量以示波器地電平為參考的信號，且限于進行低壓側測量。通過隔離示波器，或使用一對探頭進行偽差分測量（參見后面的討論），您可以使用無源探頭執行高壓側測量，但一般不推薦采用這種方法。

在考慮某項測量任務需要多高的探頭性能時，人們一般會把重點放在帶寬上。傳統思維認為，帶寬越高，性能就越高。的確，帶寬是一個重要指標，它決定了可以測量正弦波峰峰值幅度的最高頻率。但實際上，您并不是在頻域中測量正弦波，而是要顯示和測量信號隨時間變化，也就是在時域中測量信號。

因此，半橋和門驅動器測量中最應關注的性能指標是上升時間。上升時間可以從帶寬中計算得出，但如果想可靠地了解測量系統的上升時間和全部時間響應，唯一的方式是使用階躍信號來實際測量上升時間，這個階躍信號要遠遠快于您測量的信號。

測量系統如果上升時間性能不足，那么就會出現階躍響應畸變，如圖2所示，包括非線性度、變圓和頂降。可能很難確認這些畸變是實際來自測量系統還是來自被測器件，只有通過表征測量系統才能找到真正答案。為避免這些測量誤差，選擇的探頭的上升時間一定要快于被測器件的上升時間。

圖2. 在功率器件測量精度中，上升時間指標要比帶寬指標更重要。

圖3顯示了快速探頭的意義，其中使用1 GHz無源探頭測量高速FET驅動器的低壓側，該驅動器的產品資料中顯示上升時間《 1 ns。由于這只探頭的上升時間指標在450 ps左右，所以我們能夠測量略高于500 ps的上升時間。如果進行這一測量時使用的探頭上升時間較慢，比如500 MHz探頭，那么波形前面拐角處的高頻成分會變圓。

圖3. 由于450 ps上升時間指標，1 GHz泰克TPP1000無源探頭能夠準確地測量高速FET。

測量門驅動器電流

在測量門驅動器電流時，許多設計人員使用外加電流分流器，而不是電流探頭，原因很簡單，因為使用電流探頭測量環路的電感會影響電路。通常來說，設計中在門驅動器和門之間會已經串聯了一個電阻器。為使插入阻抗達到最小，電流分流器的阻值會保持得非常低，所以經過電流分流器的電壓下跌也會非常低。通過先測得經過電流分流器的電壓下跌值，然后再除以電阻器的已知電阻，可以得出電流。

把電流分流器連接到低壓側上，通常意味著一個端子接地。放在低壓側與放在高壓側的主要差異，是放在低壓側會降低或有效消除共模電壓，共模電壓會在電流分流器的任意一側同時同相出現。因此，一般推薦在低壓側放置電流分流器，特別是在高壓情況下。在高流應用中，接地彈跳會顯示為共模信號。

隔離示波器

打破接地環路的技術之一，是“隔離示波器”或隔離被測電路。浮地會打破與接地的連接，在理論上可以在兩個測試點之間進行差分測量，因為示波器接地已經被破壞。這種方法本身就是危險的，因為它破壞了觸電保護，還可能會損壞測量設備。

浮動測試可能適用于某些測量，特別是在非常低的頻率上，但要注意如果沒有低阻抗接地連接，來自示波器的放射輻射和傳導輻射可能會以噪聲形式干擾測量。另外注意，在較高頻率中斷接地時，可能并不會中斷接地環路，因為“浮動”電路會一直通過大的寄生電容保持耦合接地，從而導致振鈴和波形失真。圖4顯示了高壓側門驅動器上的浮動測量。振鈴和失真很明顯，出現了高達28 V過沖。

圖4. 在這個高壓側門驅動器浮動測量中，明顯有振鈴、失真和28 V過沖。

也可以使用偽差分測量（而不是無源探頭），可能滿足某些低頻信號測量。通過進行兩個地電平參考的信號測量，使用示波器對兩條示波器通道進行減法運算，可以完成測量。在圖5中，示波器從CH1的波形中減去CH2的波形，得到紅色波形。兩個輸入必須設置成相同的標度，探頭必須一模一樣且緊密匹配。這種技術中的共模抑制比（CMRR）很差，如圖5所示，特別是在更高頻率下，可能會超過示波器輸入范圍。CMRR是指示波器在進行差分測試時抑制兩個測試點的共模電壓的能力。

圖5. 偽差分測量性能有限，但對擁有低共模信號的超低頻信號測量足夠了。

差分探頭

對大多數GaN和SiC應用，差分探頭是準確進行低壓側測量和某些高壓側測量的很好選擇。但對性能更高的器件來說，最可能的情況是傳統高壓差分探頭并不是最佳選擇，因為其在更高的頻率下共模抑制能力不足。在執行高壓側電壓測量時，這成為一個明顯的問題，因為要在快速開關跳變過程中，在存在大的共模電壓的情況下測量小的差分電壓。

一個常見的誤解是差分探頭是浮動的。其實，傳統差分探頭基于差分放大器，差分放大器則連接到接地上。遺憾的是，這種連接限制了共模電壓范圍，導致頻率額定值下降，產生接地彈跳，在帶寬超過一定MHz時會限制共模抑制比。

在測試通電的GaN或SiC器件時，這些局限性尤其明顯，因為這些器件擁有超快速開關速率，甚至有標稱的共模電壓。例如，100 MHz帶寬差分探頭在DC時提供了-70 dB CMRR，在1 MHz時提供了-50 dB CMRR，而在100 MHz時則下降到-27 dB CMRR，大約是22 ： 1。

探頭產品技術資料中很難看到這么差的指標，因為額定值隨頻率下降不可能成為廠家推廣的指標。您需要翻查用戶手冊，才會找到像圖6這樣的示圖，但我們很容易就能計算出CMRR較差的影響。例如，對600 V共模電壓，得到的誤差是27 V （600除以22）。這種表現很扎眼，因為在存在600 V共模電壓時，使用誤差這么大的探頭是不可能準確測量高頻15 V差分信號的。

圖6. 100 MHz帶寬差分探頭在頻率提高時CMRR額定值下降到-27 dB。

在計算共模抑制時，另一個考慮因素是探頭和DUT之間的連接。大多數共模抑制指標只包括探頭，沒有考慮額外的連接選項，如大的掛勾夾。

由于缺乏足夠的探測配件，許多電源設計人員求助于某些替代技術來執行高壓側器件測量，如先測量低壓側，使用全面仿真推導高壓側結果，考察發熱的特點、EMI接近式探測，如果這些方法都行不通，那么就只能試錯了。

高性能隔離探頭

SiC和GaN 功率器件擁有超快速開關速率和高標稱共模電壓，在測試這些器件時，單端探頭和差分探頭的局限性變得更加明顯。由于這些信號捕獲問題源于接地需求，因此可行的解決方案所采用的探頭技術不能依賴于接地，從而或多或少地不受共模電壓的影響。這種隔離探頭完全通過光纖運行，提供了大量的優勢，包括高達1 GHz的帶寬、大的差分電壓范圍、在所有頻率中提供了完美的共模抑制能力。

在執行高壓側VGS測量時，工程師需要查看足夠的波形細節，來確認仿真，評估信號特點，如與圖7中表示的理想狀態相比產生的振鈴。高壓側VGS打開，第一個區域表示CGS門源充電時間，后面是米勒平臺。在通道進行傳導后，門將充電到最終值。

圖7. 這是高壓側VGS理想狀態的示意圖。

圖8比較了使用傳統高壓差分探頭與使用高性能隔離探頭進行高壓側VGS 測量，明顯可以看出，在傳統探頭提供的測量基礎上，很難提取有意義的信息，制訂設計決策。

圖8. 隔離高壓差分探頭提供了優化器件性能所需的信心。

相比之下，隔離高壓測量系統為測量、表征和優化設計性能提供了所需的分辨率和可重復性。可以明顯看出米勒平臺及開關到節點轉換的關聯。這個波形清楚地顯示了以前隱藏的諧振和信號細節，從而為優化性能、開發設計而又不會過于保守提供了所需的信心。

高壓側，低壓側交互

對容差緊張的GaN器件，開關節點中低壓側開關與高壓側門極之間的寄生耦合，是診斷起來比較困難的問題之一。圖9顯示了來自高壓側的過沖或振鈴傳遞到低壓側的情況。如果不能執行準確的高壓側測量，這種情況是無從知曉的，其會產生大量的問題，至少會導致開關和效率損耗和劣化，最壞情況是低壓側和高壓側開關同時打開導致災難性的故障。

圖9. 能夠查看實際波形，使得診斷和解決開關節點之間的寄生耦合等問題成為可能。

小結

可以肯定地說，半橋和門驅動器測量面臨著諸多挑戰，必須克服這些挑戰，才能全面利用最新寬禁帶器件的優勢。這要求正確的測量技術和強大的測量解決方案。通常來說，問題的根源不在于示波器，而在于探頭的選擇上。高壓側門測量尤其困難，但通過了解共模抑制比，及隔離高壓差分探頭在存在高共模電壓情況下可以怎樣實現精確可靠地測量，許多相關挑戰都能迎刃而解。