示波器測試開關電源

在實際的應用中，工程師們經常遇到需要進行功率測量的場景，除卻專門的功率分析儀可以完成測量之外，日常使用的示波器也能為其所用。

理論來說，功率等于電壓乘以電流，而示波器是電壓響應儀器，如何來進行功率分析呢？示波器配備電流探頭后，通過電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，即可達到測量電流的目的，因此示波器可以測量功率。

首先讓我們明確示波器功率分析能做到哪些功能：

1. 分析整體諧波失真、有效功率、視在功率、功率因素、波峰因素

2. 根據IEC61000-3-2標準進行電流諧波測試

3. 測量開關設備的開關損耗和導通損耗。

4. 分析電流和電壓的轉換速率dl/dt和dV/dt

5. 自動設置示波器紋波測量

6. 對脈沖寬度調制進行分析

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。

圖1. 開關電源簡化示意圖。

圖2. MOSFET 開關器件，顯示了測量點。

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。在圖2 所示的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80 Vrms 到264 Vrms 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750 V。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。圖3 顯示了開關器件的典型信號特性。

圖3. 開關設備的典型信號

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1000 V 的電壓，這樣就可以采集700 V 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4 V。

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。

圖4. DPOPWR 輸入頁面允許用戶輸入RDSON 和VCEsat 的技術數據值。

圖4. 傳輸延遲應對電源測量的影響

消除電壓探頭和電流探頭之間的時間偏差

要使用數字示波器進行電源測量， 就必須測量MOSFET 開關器件 （如圖2 所示） 漏極、源極間的電壓和電流，或IGBT 集電極、發射極間的電壓。該任務需要兩個不同的探頭：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型探頭。這兩種探頭各有其獨特的傳輸延遲。這兩個延遲的差 （稱為時間偏差），會造成幅度測量以及與時間有關的測量不準確。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。如果兩個相乘的變量沒有很好地校正，結果就會是錯誤的。探頭沒有正確進行“時間偏差校正”時，開關損耗之類測量的準確性就會影響。

圖5 所示的測試設置比較了探頭端部的信號 （下部跡線顯示） 和傳輸延遲后示波器前端面板處的信號 （上部顯示）。

圖6 - 圖9 是表明了探頭時滯影響的實際示波器屏幕圖。它使用泰克P5205 1.3 kV 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夾具提供。圖6說明了電壓探頭和電流探頭之間的時滯，圖7顯示了在沒有校正兩個探頭時滯時獲得的測量結果（6.059mW）。圖8顯示了校正探頭時滯的影響。兩條參考曲線重疊在一起，表明已經補償了延遲。圖9 中的測量結果表明了正確校正時滯的重要性。這一實例表明，時滯引入了6% 的測量誤差。準確地校正時滯降低了峰到峰功率損耗測量誤差。

圖5. 傳輸延遲效應對電源測量的影響。

圖7. 有時間偏差時峰值幅度和面積測量顯示為6.059 瓦。

DPOPWR電源測量軟件可以自動校正所選探頭組合的時間偏差。該軟件控制示波器，并通過實時電流和電壓信號調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校正時間偏差的功能，但前提是特定的電壓探頭和電流探頭有恒定、可重復的傳輸延遲。靜態校正時間偏差的功能根據一張內置的傳輸時間表，自動為選定探頭 （如本文檔中討論的Tektronix 探頭） 調整選定電壓和電流通道之間的延遲。該技術提供了一種快速而方便的方法，可以將時間偏差降至最小。

消除探頭零偏和噪聲

差分探頭和電流探頭可能會有很小的偏置。應在測量前消除這一偏置，因為它會影響測量精度。某些探頭采用內置的自動方法消除偏置，其它探頭則要求手動消除偏置。

圖8. 校正時間偏差后的電壓和電流信號。

圖9. 校正時間偏差后的峰值幅度和面積測量。將此結果與圖7 中的結果進行比較。

自動消除偏置

配有TekVPITM 探頭接口的探頭與示波器相結合，可以消除信號路徑中發生的任何DC偏置誤差。在TekVPITM探頭上按Menu按鈕，示波器上出現Probe Controls框，顯示AutoZero 功能。選擇AutoZero 選項，會自動清除測量系統中存在的任何DC偏置誤差。TekVPITM電流探頭還在探頭機身上有一個Degauss/AutoZero按鈕。壓下AutoZero按鈕，會消除測量系統中存在的任何DC偏置誤差。

手動消除偏置

大多數差分電壓探頭都有內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：準備工作完成之后，接下來：

將示波器設置為測量電壓波形的平均值；

選擇將在實際測量中使用的靈敏度 （垂直） 設置；

不加信號，將修整器調為零，并使平均電平為0 V （或盡量接近0 V）。

相似地，在測量前必須調節電流探頭。在消除零偏之后：

將 示波器 靈敏度設置為實際測量中將要使用的值；

關閉沒有信號的電流探頭；

將直流平衡調為零；

把中間值調節到0 A 或盡可能接近0 A；

注意，這些探頭都是有源設備，即使在靜態，也總會有一些低電平噪聲。這種噪聲可能影響那些同時依賴電壓和電流波形數據的測量。DPOPWR 軟件包包含一項信號調節功能 （圖10），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

示波器在一段時間內捕獲事件的能力取決于所用的采樣速率，以及存儲采集到的信號樣本的存儲器的深度 （記錄長度）。存儲器填充的速度和采樣速率成正比。如果為了提供詳細的高分辨率信號而將采樣速率設得很高，存儲器很快就會充滿。

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周期（90 或180 度），有些甚至需要整個周期。這是為了積累足夠的信號數據，以在計算中抵消工頻電壓波動的影響。

識別真正的Ton 與Toff 轉換

為了精確地確定開關轉換中的損耗，首先必須濾除開關信號中的振蕩。開關電壓信號中的振蕩很容易被誤認為開通或關斷轉換。這種大幅度振蕩是SMPS 在非持續電流模式（DCM） 和持續電流模式（CCM） 之間切換時電路中的寄生元件造成的。

圖11 以簡化形式表示出了一個開關信號。這種振蕩使示波器很難識別真正的開通或關斷轉換。一種解決方法是預先定義一個信號源進行邊沿識別、一個參考電平和一個遲滯電平，如圖12 所示。根據信號復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 開關電源 設計 （如有源功率因數校正變流器） 中，振蕩可能要嚴重得多。DCM 模式大大增強了振蕩，因為開關電容開始和濾波電感產生共振。僅僅設置參考電平和磁滯電平可能不足以識別真正的轉換。

這種情況下，開關器件的柵極驅動信號 （即圖1 和圖2中的時鐘信號） 可以確定真正的開通和關斷轉換，如圖13 所示。這樣就只需要適當設置柵極驅動信號的參考電平和磁滯電平。

圖11. 用于識別Ton 和Toff 轉換的柵極信號Vg

圖12. 開關器件的典型信號特征。