使用數字示波器測試開關電源
2012-08-15
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?？紤]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?？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫?。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。圖3顯示了開關器件的典型信號特性。
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