[圖文]使用4000系列數字熒光示波器進(jìn)行電源測量(圖)

引言
電源分成許多不同的類(lèi)型和規格，包括傳統線(xiàn)性電源到高效的開(kāi)關(guān)電源（SMPS）。所有這些電源都面臨著(zhù)復雜的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境。設備負載和需求在不同時(shí)間之間可能會(huì )大幅度變化。即使是“日常的”開(kāi)關(guān)電源也必須能夠承受突然出現的遠遠超過(guò)平均工作電流的峰值電流。

此外，必須檢定電源的功率電平、輸出純度和到電源線(xiàn)的諧波反饋，以滿(mǎn)足國家和地區電源質(zhì)量標準。從歷史上看，這些測量類(lèi)型意味著(zhù)使用數字萬(wàn)用表進(jìn)行靜態(tài)電流和電壓測量，然后在計算器或PC上進(jìn)行麻煩的計算。

今天，大多數工程師正轉向示波器作為首選的電源測量平臺。本應用指南將重點(diǎn)介紹怎樣使用示波器進(jìn)行基本電源測量。

準備電源測量
對習慣使用示波器進(jìn)行高帶寬測量的工程師來(lái)說(shuō)，電源測量頻率相對較低，似乎非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上，電源測量也有很多高速電路設計人員從未見(jiàn)過(guò)的一系列挑戰。經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)設備的電壓可能會(huì )非常大，而且是“浮動(dòng)的”，即沒(méi)有參考接地。信號的脈寬、周期、頻率和占空比會(huì )變化，必須如實(shí)地捕獲波形，分析其不理想特點(diǎn)。
示波器必須具有基本帶寬和采樣率，處理SMPS內部的開(kāi)關(guān)頻率。電源測量要求示波器至少有兩條通道，一條用于電壓測量，一條用于電流測量。提高電源測量簡(jiǎn)便程度和可靠性的工具也同樣非常重要。下面是部分考慮因素：
● 是否提供安全精確的電壓和電流探測解決方案？
● 是否有一種快速方式，調節探頭的不同延遲？
● 是否有使探頭偏置達到最小的有效流程？
● 儀器能否配備充足的記錄長(cháng)度，以高分辨率捕獲很長(cháng)的工頻波形？
這些特點(diǎn)為有效執行電源設計測量奠定了基礎。

安全準確地探測電壓波形和電流波形
在使用數字示波器進(jìn)行電源測量時(shí)，必須測量設備中的電壓及電流。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只電壓探頭(通常是高壓差分探頭)，一只電流探頭。圖1顯示了開(kāi)關(guān)式電源(SMPS)中的典型測量方案。在范圍在幾kHz到幾MHz的時(shí)鐘驅動(dòng)下，金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)控制著(zhù)電流。

圖1 簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)式電源視圖

測量經(jīng)過(guò)MOSFET的電流相對簡(jiǎn)單，可以使用許多不同的泰克霍爾效應電流探頭完成，如TCP0030。而測量電壓則會(huì )面臨更多的問(wèn)題。MOSFET沒(méi)有連接到交流電源接地或電路輸出接地上。因此，不可能使用示波器進(jìn)行接地參考電壓測量，因為把探頭的地線(xiàn)連接到任何MOSFET端子上都會(huì )使通過(guò)示波器接地的電路短路。

進(jìn)行差分測量是測量MOSFET電壓的最佳方式。在差分測量中，可以測量漏極到源極電壓(VDS)，即MOSFET漏極和源極端子中的電壓。VDS可以位于幾十伏到幾百伏電壓的頂部，具體視電源的范圍而定。

可以通過(guò)多種方法測量VDS：
● 浮動(dòng)示波器的機箱接地。絕對不要采用這種方式，因為這種非常不安全，會(huì )給用戶(hù)、被測設備和示波器帶來(lái)危險。
● 使用傳統無(wú)源單端探頭，把地線(xiàn)相互連接起來(lái)，使用示波器的通道匹配功能。這種測量方式稱(chēng)為準差分測量。但是，無(wú)源探頭與示波器的放大器結合使用時(shí)，不能提供充分阻塞任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)。盡管用戶(hù)可能很想使用這種方法，因為可以使用已有的探頭，但它并不能準確地測量電壓。
● 使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機箱接地。探頭的地線(xiàn)不再位于接地電位，可以把探頭直接連接到測試點(diǎn)上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但它成本高，通常是差分探頭的2～5倍。
● 使用真正差分探頭。高壓差分探頭(如泰克P5205)可以準確安全地測量V_DS。

消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯
每只電壓探頭和電流探頭都有自己的特性傳播延遲。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱(chēng)為時(shí)滯，會(huì )導致幅度和定時(shí)測量不準確。

必須了解探頭的傳播延遲對最大峰值功率和面積測量的影響，因為功率是電壓和電流的乘積。如果兩個(gè)相乘的變量沒(méi)有完美對準，那么會(huì )得到不正確的結果。在探頭沒(méi)有正確“校正時(shí)滯”時(shí)，測量精度會(huì )下降，如開(kāi)關(guān)損耗。圖2所示的測試設置比較了探頭尖上的信號(下方的曲線(xiàn)畫(huà)面)和傳播延遲后示波器前面板上的信號(上方的畫(huà)面)。

圖2 傳播延遲差(時(shí)滯)對電源測量的影響

消除探頭偏置
差分探頭一般會(huì )有較小的電壓偏置。這會(huì )影響精度，在繼續測量前必須消除這個(gè)電壓偏置。大多數差分電壓探頭擁有內置的DC偏置調節控制功能，可以相對簡(jiǎn)單地消除偏置。

在預熱后：
● 把示波器設置成測量電壓波形的平均值。
● 選擇實(shí)際測量中將使用的靈敏度(垂直)設置。
● 在不存在信號的情況下，把平均電平調節到0V(或盡可能接近0V)。
類(lèi)似的，必須在執行測量前調節電流探頭。

在消磁后：
● 把示波器設置成實(shí)際測量中將使用的垂直靈敏度。
● 在不存在信號的情況下，關(guān)閉電流探頭。
● 把DC平衡調節到零。
● 把平均值調節到0A或盡可能接近0A。
注意，某些探頭(如支持TekVPI的TCP0030)內置了自動(dòng)消磁/自動(dòng)清零程序，用戶(hù)只需在探頭comp盒上按一個(gè)按鈕就可以了。

記錄長(cháng)度在電源測量中的作用
示波器捕獲測量期間事件的能力取決于使用的采樣率及存儲采集的信號樣點(diǎn)的存儲器的深度(記錄長(cháng)度)。存儲器的填充速度與采樣率直接成正比。在采樣率設置得足夠高時(shí)，存儲器會(huì )迅速填充。對許多電源測量，必須捕獲1/4周期或1/2周期(90或180)的工頻信號；有些測量甚至要求捕獲整個(gè)周期。泰克4000系列示波器標配10M樣點(diǎn)的記錄長(cháng)度，可以輕松地滿(mǎn)足這一需求。

然而，比長(cháng)記錄長(cháng)度更重要的是提供能夠利用所有這些數據的工具。4000系列的Wave Inspector是一套為輕松處理長(cháng)記錄設計的工具。直觀(guān)的前面板Zoom和Pan控制功能可以迅速查看采集的波形的任何部分?？梢允褂们懊姘錝et/Clear Marks按鈕，把書(shū)簽放在波形上感興趣的點(diǎn)，然后使用前面板Previous(-)和Next(->)按鈕瀏覽波形。最后，強大的搜索功能可以找到和標記整個(gè)長(cháng)采集中發(fā)生的每個(gè)用戶(hù)指定標準。例如，我們使用4000系列全部10M點(diǎn)記錄長(cháng)度，以4ns分辨率捕獲AC電源兩個(gè)周期期間的每個(gè)門(mén)驅動(dòng)脈沖。這一采集包含大約4000個(gè)脈沖。在輸入幾個(gè)簡(jiǎn)單的搜索參數后，如通道1上的正脈沖，寬度小于2μs，門(mén)限為3.7V，Wave Inspector會(huì )迅速識別滿(mǎn)足標準的17個(gè)脈沖，并在格線(xiàn)頂部用白色三角形標出了這些波形。然后通過(guò)再次使用前面板Previous和Next按鈕，我們可以迅速從一個(gè)事件跳到另一個(gè)事件。有了Wave Inspector以前需要幾小時(shí)完成的工作，現在只需幾秒鐘就可以完成。

執行基本SMPS測量
開(kāi)關(guān)式電源基礎知識
大多數現代系統中流行的DC電源結構是開(kāi)關(guān)式電源，這些電源因能夠高效處理變化的負載而聞名。典型SMPS的電源“信號路徑”包括無(wú)源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了損耗元件的使用，如電阻器和線(xiàn)性模式晶體管，而重點(diǎn)使用沒(méi)有損耗(理想情況下)的元件：開(kāi)關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。

SMPS設備還包括一個(gè)控制段，其中包含脈寬調制穩定器、脈沖速率調制穩定器和反饋環(huán)路等單元?？刂贫慰梢杂凶约旱碾娫?。圖1是簡(jiǎn)化的SMPS示意圖，其中顯示了包括有源單元、無(wú)源單元和磁性單元的電源轉換段。

SMPS技術(shù)依托電源半導體開(kāi)關(guān)設備，如金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。這些設備提供了快速開(kāi)關(guān)時(shí)間，能夠耐受沒(méi)有規律的電壓峰值。同樣重要的是，其在On狀態(tài)或Off狀態(tài)下消耗的功率非常小，實(shí)現了很高的效率，而生成的熱量很低。開(kāi)關(guān)設備在極大程度上決定著(zhù)SMPS的整體性能。開(kāi)關(guān)設備的關(guān)鍵測量項目包括開(kāi)關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區等。

基本參數測量
盡管開(kāi)關(guān)設備的功耗非常重要，但電源設計人員還需關(guān)注電源操作的許多其他方面，如基本幅度和定時(shí)測量，這在歷史上一直通過(guò)計算格數、然后乘以標度系數完成?，F代示波器提供了許多自動(dòng)測量功能，可以使用這些功能測量上述基本電源操作參數。4000系列包括下述自動(dòng)測量。

● 幅度測量：幅度、高、低、最大值、最小值、RMS、峰到峰值、正/負過(guò)沖、平均值、周期平均值、周期RMS。
● 定時(shí)測量：周期、頻率、上升/下降時(shí)間、正/負占空比、正/負脈寬、突發(fā)寬度、延遲、相位。
● 綜合測量：面積和周期面積。

幅度測量適用于測量輸入和輸出電壓，如VRMS、平均值、峰到峰值和周期RMS。定時(shí)測量可以幫助檢定驅動(dòng)信號行為，如脈寬和頻率。綜合測量計算電源波形下的面積，確定能量損耗。通過(guò)打開(kāi)測量統計，可以確定長(cháng)期變化，查看測量期間的最小值、最大值、平均值和標準偏差。

測量瞬時(shí)功率
檢定開(kāi)關(guān)晶體管中的瞬時(shí)功耗是幾乎每個(gè)電源設計項目的一部分。選擇能夠在最壞操作情況下經(jīng)濟可靠地運行的元件至關(guān)重要(如圖1中的電源MOSFET)。泰克TekVPI電流和電壓探測解決方案為這些測量提供了理想選擇。除提供安全測量解決方案外，它們還提供了非常簡(jiǎn)便的時(shí)滯校正功能。通過(guò)TekVPI探頭，可以在工廠(chǎng)中測量傳播延遲，然后把傳播延遲存儲在探頭的內存中。在TekVPI探頭連接到4000系列時(shí)，它們會(huì )自動(dòng)設置相應的時(shí)滯校正值，在電源測量中實(shí)現最大精度。也可以使用每條通道垂直菜單中的時(shí)滯校正功能，手動(dòng)校正非TekVPI探頭的時(shí)滯。TekVPI接口進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電源測量，它自動(dòng)為電壓波形和電流波形及以瓦特為單位的演算波形提供正確的標度和單位。4000系列只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，就可以測量瞬時(shí)功率：
● 連接探頭；
● 按Autoset，示波器自動(dòng)調節垂直設置、水平設置和觸發(fā)設置，以查看波形；
● 把演算波形定義為Ch1*Ch2；
● 打開(kāi)Area測量，測量曲線(xiàn)下的面積(能量)；
● 光標讀數表明瞬時(shí)功率。通過(guò)使用測量選通，我們可以把Area測量限制在特定區域，查看與MOSFET的啟動(dòng)時(shí)間(Ton)和關(guān)閉(Toff)時(shí)間有關(guān)的功率損耗。

安全工作區
晶體管的安全工作區(SOA)定義了設備在不會(huì )自行損壞的情況下工作的條件。如果超過(guò)這些限制，晶體管可能會(huì )失效。SOA還包括其他設備限制，如最大電壓、最大電流、功率、平均聯(lián)接溫度、二級故障等。

開(kāi)關(guān)設備制造商的產(chǎn)品技術(shù)資料會(huì )概括對開(kāi)關(guān)設備的某些限制。其目標是保證開(kāi)關(guān)設備將容忍電源在最終用戶(hù)環(huán)境中必須處理的工作邊界。SOA 測試變量可能包括各種負荷方案、工作溫度變化、高和低線(xiàn)路輸入電壓等?？梢允褂?000系列，在XY畫(huà)面中繪制電壓對電流曲線(xiàn)，查看SOA。

測量線(xiàn)路諧波
開(kāi)關(guān)電源一般會(huì )生成以奇數階為主的諧波，直到電網(wǎng)。其影響具有累積性特點(diǎn)，隨著(zhù)連接到電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)電源越來(lái)越多(如辦公室中增加更多的臺式電腦)，返回電網(wǎng)的諧波失真的總百分比會(huì )上升。由于這種失真會(huì )導致熱量在電網(wǎng)的線(xiàn)纜和變壓器中積聚，因此必須使諧波達到最小。業(yè)內制定了IEC61000-3-2等法規標準，監控來(lái)自特定非線(xiàn)性負荷的電源質(zhì)量。

由于標配快速傅里葉變換(FFT)功能，4000系列提供了杰出的諧波分析工具。具有FFT功能的示波器的經(jīng)濟性要遠遠高于購買(mǎi)專(zhuān)用諧波分析儀，而且允許使用熟悉的儀器來(lái)做另一項工作。4000系列采用FFT，以類(lèi)似頻譜分析儀的方式顯示信號頻率成分。它甚至可以在屏幕上同時(shí)顯示信號波形及頻域等效波形，這通常很有裨益?？梢允褂肕ATH按鈕菜單下的FFT特定菜單，簡(jiǎn)便地控制4000系列FFT?？梢栽诨顒?dòng)信號上或調用的存儲波形上執行FFT。

這一程序并不比進(jìn)行普通波形測量困難。在這種情況下，由于信號是一個(gè)重復的周期波形(而不是某種瞬態(tài)信號)，因此觸發(fā)和顯示信號非常簡(jiǎn)單。應至少顯示五個(gè)周期，以保證良好的頻率分辨率，垂直標度應設置成信號占用顯示屏上盡可能多的垂直格。

用戶(hù)配置的參數包括垂直標度和FFT窗口格式?？梢允褂镁匦未翱?、Hamming窗口、Hanning窗口和Blackman-Harris窗口，每種口適用特定的信號類(lèi)型。對周期重復的信號，如本例中的信號，Hamming窗口通常是最佳窗口。FFT顯示的垂直標度可以是線(xiàn)性標度或對數標度。

利用4000系列示波器對電源負荷電流的諧波進(jìn)行分析，可以使用光標，測量各個(gè)頻率成分或頻率的幅度。在許多電源設計項目中，非常重要的一個(gè)部分是證明滿(mǎn)足電源質(zhì)量法規標準。4000系列提供了全系列存儲和打印功能，幫助用戶(hù)完成這一工作。專(zhuān)用HARD COPY按鈕把屏幕截圖發(fā)送到連接示波器USB端口的打印機上，還可以使用各種格式把圖像保存到U盤(pán)或CompactFlash卡中。

調試電源
數字化示波器在電源測量領(lǐng)域中非常常見(jiàn)，但4000的數字熒光采集技術(shù)在調試時(shí)有著(zhù)很大的差異，特別是在識別開(kāi)關(guān)電源的調制效應過(guò)高時(shí)。4000系列的波形捕獲速率要比典型的數字存儲示波器(DSO)高出許多倍。在考察調制效應時(shí)，這提供了兩個(gè)優(yōu)勢。首先，示波器在大多數情況下是活動(dòng)的，只用很少的時(shí)間處理波形進(jìn)行顯示。因此，示波器捕獲調制的機會(huì )提高了數百倍。其次，數字熒光顯示可以更簡(jiǎn)便地實(shí)時(shí)查看被調制波形。4000顯示屏會(huì )加強信號曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)頻次最高的區域，這在很大程度上與模擬示波器類(lèi)似。調制要比連續重復的主要波形暗。

可以使用4000系列簡(jiǎn)單地查看調制影響。圖3顯示了控制著(zhù)電源中電流模式控制環(huán)路輸出的被調制信號。調制在控制環(huán)路的反饋系統中具有重要意義。但是，調制太多會(huì )導致環(huán)路變得不穩定。注意，在調制頻次較低的區域中，波形較暗。

使用4000系列捕獲瞬態(tài)信號也非常簡(jiǎn)單。其邊沿觸發(fā)功能為設置跳變沿、電平、耦合和觸發(fā)延遲提供了所需的全部靈活性。如果被測電源已經(jīng)集成到系統中，可能要觸發(fā)系統中其他地方的“問(wèn)題”信號，監測電源上的測試點(diǎn)，查看是否有同時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)信號。

圖3 調制對電源控制環(huán)路的影響

當然，電源的DC輸出還必須干凈，沒(méi)有瞬態(tài)信號。4000系列的滾動(dòng)模式與峰值檢測功能相結合，為查看低速信號或DC電平上的畸變提供了最佳的工具。滾動(dòng)模式從左到右慢慢地滾動(dòng)曲線(xiàn)，這在很大程度上與帶狀記錄紙、記錄器類(lèi)似。它以非常慢的掃描速度生成清楚明亮的曲線(xiàn)。峰值檢測功能允許示波器捕獲最窄1ns的毛刺，甚至支持較低的掃描速度。這兩種功能相結合，得到了一個(gè)穩定有效的曲線(xiàn)，可以立即揭示瞬態(tài)信號。

總結
電源測量不再是功率計和諧波分析儀等專(zhuān)用工具的專(zhuān)屬領(lǐng)地。4000系列數字熒光示波器與各種電壓探頭和電流探頭相結合，為現代開(kāi)關(guān)式電源提供了安全的測量和調試解決方案。