簡介

數字示波器的計算功能是數字示波器最有趣的功能之一，可以簡化和擴展對熱插拔與負載切換電路的分析。巧用示波器的計算功能可以得出負載電容或 MOSFET 在導通和關斷時的瞬時功耗，這些參數對于設計和分析熱插拔與負載切換電路非常有意義，如果沒有示波器計算功能，這類參數只能做近似估計。

本篇應用筆記介紹如何利用示波器檢測熱插拔電路 MOSFET 功耗和負載電容的精確值。

設置示波器

簡化起見，我們用圖 1 所示的 MAX5976 熱插拔電路來做演示，其內置的檢流功能和帶驅動的 MOSFET 構成了一個完整的電源切換電路（下面的測試方法同樣適用于由分立元件搭的熱插拔控制電路）。按圖 1 所示方式將示波器探頭連至熱插拔電路，示波器即可獲取計算所需信號，兩個電壓探頭分別接輸入和輸出，用于檢測 MOSFET 兩端壓降，電流探頭用來檢測流過 MOSFET 的電流。

圖 1. 示波器探頭連至 MAX5976 或 MAX5978 熱插拔電路，示波器則利用測試結果進行計算。

這個基本連接方式同樣適用于非集成的熱插拔電路。測試輸入和輸出電壓的探頭分別接到 MOSFET 的前面和后面（MAX5976 的 MOSFET 在內部，MAX5978 則是外置 MOSFET），電流探頭要與電路檢流電阻串聯。為了測到流經開關元件的精確電流值，電流探頭應該放在輸入電容后，輸出電容前的位置。

MOSFET 功耗

開關器件（通常是 n 溝道 MOSFET）的功耗等于漏極 / 源極電壓差（VDS）與漏極電流（ID）的乘積。圖 1 中，VDS 是通道 2 和通道 1 的差，ID 是電流探頭直接測量的結果。我們用的示波器（Tektronix? DPO3034）有一個專門的計算通道，可以通過如下（圖 2）菜單配置。

圖 2. DPO3034 數字示波器的高級計算菜單可以直接編輯計算公式。

通過簡單編輯一個公式，實現通道 1 與通道 2 之差乘以電流探頭測得的值，從而得出 MOSFET 功耗。當熱插拔電路使能后，輸出電壓以 dV/dt 的斜率接近輸入電壓，流經 MOSFET 的輸出電容充電電流（ID）為：

ID = COUT × dV/dt

當輸出電容為 360μF，VIN = 12V 時，MOSFET 導通瞬間示波器屏幕截圖如圖 3a 所示。MAX5976 將瞬時浪涌電流限制在 2A。注意功率波形是一個下降的斜坡，開始于 12V × 2A = 24W，當輸出電壓升至 12V 時降至 0W，熱插拔電路以恒定電流為負載電容充電，這正是我們所期望的。

圖 3a. 圖 1 電路中的 MOSFET 功耗（紅色波形），COUT = 360μF，浪涌電流被限制在 2A。

如此方式測得的功率波形可用來判斷 MOSFET 是否工作在其安全工作區（SOA），或根據數據資料的相關圖表估算 MOSFET 結溫的溫升。根據實測波形直接進行計算的誤差要小很多。另外，即使如圖 3b 所示的浪涌電流和 dV/dt 都不是常數，功耗的測量波形依然精確。

圖 3b. 浪涌電流和 dV/dt 都不是常數時，測得的功耗波形依然精確。此處的浪涌電流就沒有限流。

如果示波器支持積分功能，則能進一步得出 MOSFET 在任何高耗能事件中的實際總能耗。圖 4 新增紅色曲線為利用示波器積分功能計算出 MOSFET 消耗的能量信息。

圖 4. 對功率積分可以得出圖 1 電路中 MOSFET 在開啟階段的總能耗。

如圖 3a 所示，COUT 為 360μF，浪涌電流被限制在 2A。由于功率在 MOSFET 開啟的 2ms 內是一個三角形狀，可以算出大約有 24W/2 × 2ms = 24mJ 的能量變成了熱。可以看出，當 MOSFET 開啟結束時，示波器積分功能計算出的能量數據就是 24mWs （= 24mJ）！

此類功能還適用于分析 MOSFET 的其它瞬態事件，如關斷，短路或過載。如此詳盡的功率和能量數據可用來精確分析 MOSFET 瞬態事件發生時的 SOA 和溫度特性。

測量負載電容

數字示波器計算功能中的積分功能還可用來測量熱插拔電路中的負載電容。

假設不考慮電路阻抗對電流的影響，則負載電容值等于電容電壓每變化一伏改變的電量；而電量就是電流對時間的積分。因此，對熱插拔電路浪涌電流除以輸出電壓的值進行積分，數字示波器就可以精確計算出負載電容值大小。圖 5a 中，熱插拔控制器輸出有三個 10μF 陶瓷電容。由于作為分母的電壓初始值為零，所以計算曲線的開始階段沒有任何實際意義。但 VOUT 超過伏后，計算出的電容值大約為 27μF。可以看出，盡管示波器的功能已經十分強大，但仍不能如我們所希望的那樣正確顯示電容值單位！

圖 5a. 當 COUT = 30μF 時，圖 1 電路測得的輸出電容值。

圖 5b 的測試和圖 5a 相同，但在輸出電容處增加了一個 330μF 電解電容，當 MOSFET 開啟結束時，可以看到示波器顯示結果恰好就是 360μF，正是我們所期望的。注意阻性負載會降低電容測試的精度，因為它會分流進入電容的電荷。但對于瞬態時間分析，結果依然非常有用。

圖 5b. 當 COUT = 30μF + 330μF 時，圖 1 電路測得的輸出電容。
責任編輯:pj