力科示波器基礎應用系列之六——開(kāi)關(guān)功率器件的測試

現今電子行業(yè)所使用的電源絕大部分都是開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源中的輸出功率是依靠一系列的門(mén)驅動(dòng)脈沖來(lái)控制的，當負載增大需要更多的功率輸出時(shí)，控制輸出電壓的反饋回路會(huì )調整門(mén)驅動(dòng)脈沖的寬度（脈沖寬度變寬）；相反，當負載減小，脈沖寬度會(huì )變窄。為了驗證供電設備的性能，工程師會(huì )做一系列的測試，主要包括安全工作區測試（SOA），功率損耗，上端柵極測量，動(dòng)態(tài)阻抗分析，控制環(huán)路響應，電源輸出紋波，線(xiàn)電流諧波，功率因數，實(shí)際/視在功率等等。

測量電源隨負載變化的響應

不論是電源設計工程師還是在他們的產(chǎn)品中使用電源部件的工程師，他們關(guān)心的首要問(wèn)題就是，電源跟隨負載變化的響應情況如何？圖1中顯示的是當負載減小時(shí)電源性能變化的分析，這種情況和增加負載時(shí)是類(lèi)似的。右下角的時(shí)基標簽顯示當前的時(shí)基范圍是 1ms/division，所以屏幕顯示的信號總時(shí)間長(cháng)度是10ms，采樣率是1.0 GS/s，對于開(kāi)關(guān)電源信號來(lái)說(shuō)這種采樣率已經(jīng)足夠了，屏幕顯示的采樣點(diǎn)數量是10MSamples（標簽顯示“10MS”）。

圖 1: 最上柵格捕獲了10ms門(mén)驅動(dòng)脈沖波形。第二個(gè)波形顯示對于門(mén)驅動(dòng)脈沖所有脈寬的跟蹤值。第三和第四個(gè)波形是對于門(mén)驅動(dòng)脈沖信號在不同負載狀態(tài)下的放大波形

圖1中最上面柵格顯示的是示波器捕獲的門(mén)驅動(dòng)脈沖，負載變化前的時(shí)間是1ms，變化后的時(shí)間大概是9ms。柵格下面黃色的小三角標識，指示的是觸發(fā)位置。在觸發(fā)位置前和觸發(fā)位置后大概半個(gè)柵格的內置，有兩部分高亮的波形，其中紅色高亮的部分的放大波形在第三個(gè)柵格中顯示，紫色高亮的波形在底部柵格顯示。這兩個(gè)放大的波形顯示的是負載變化之前（紅色）和負載變化大約500us之后（紫色）的門(mén)驅動(dòng)脈沖寬度。放大的波形中，我們用肉眼即可觀(guān)察到負載大時(shí)電源輸出更多功率（脈沖寬度更寬），負載減小時(shí)輸出功率更?。}沖寬度減?。?。

以上的討論是基于肉眼觀(guān)察得出的，電源輸出功率對于負載變化的響應可以從圖1中的第二條藍色曲線(xiàn)更深入的分析。這條曲線(xiàn)是對于門(mén)級驅動(dòng)脈沖寬度值的跟蹤曲線(xiàn)。數字示波器最擅長(cháng)顯示基于時(shí)間的一系列數值，這些數值不一定必須是電壓vs時(shí)間或者電流vs時(shí)間。在上面的電源測試案例中，工程師其實(shí)最關(guān)心的是：“電源的控制回路是如何響應外接負載的變化的？”基于此，藍色的跟蹤曲線(xiàn)更能夠說(shuō)明問(wèn)題。剛開(kāi)始的1ms時(shí)間內，門(mén)驅動(dòng)脈沖寬度較大，隨后由于負載變化，脈沖寬度急劇減小，然后又增大出現一個(gè)小的尖峰，接著(zhù)回落一些，隨后緩慢增大，而后穩定于新負載值。電源設計工程師可以使用數字示波器的這一測試功能，比如，還可以跟蹤脈沖邊沿的下降時(shí)間、波形最小值等等，工程師如果想要對控制回路的響應特性進(jìn)行調試，可以先將這一波形保存下來(lái)，然后重新改進(jìn)電源控制回路設計，然后再重復進(jìn)行測量，將兩次的測量結果做比較，驗證調試的效果。必要的時(shí)候還可以將兩條跟蹤曲線(xiàn)相減，可以更直觀(guān)得看到差別。數字示波器的這一功能，能夠將開(kāi)關(guān)電源控制回路的階躍負載變化響應變得可視化，并進(jìn)行精確測量，驗證電源特性。

測量電源安全工作區（SOA）

不管是電源的設計者還是將電源器件集成到產(chǎn)品中的工程師，都需要保證電源在不同的工況下能夠工作在安全區內。另外，也要求電源不會(huì )輸出過(guò)高的電壓/電流脈沖。工程師還需要確定緩沖二極管可以正常工作。測量SOA時(shí)，示波器的一個(gè)通道測量開(kāi)關(guān)電源器件的電壓值，另一個(gè)通道測試線(xiàn)路流過(guò)的電流。然后根據捕獲的電壓vs時(shí)間波形和電流vs時(shí)間波形，繪出電壓vs電流的XY圖。注意到圖2中時(shí)基標簽標明當前采集時(shí)間是2 msec/div，采樣率100 MS/s，總的采樣點(diǎn)為2 MS (megasamples)。

圖2：上圖中，黃色曲線(xiàn)為電壓vs時(shí)間。藍色為電流曲線(xiàn)。XY圖的橫軸為電壓值，縱軸為電流值

進(jìn)行SOA測試時(shí)，“不安全”的部分位于XY圖中右上角的采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)電壓值和電流值都很高。使用力科示波器進(jìn)行SOA測試時(shí)，用戶(hù)可以在XY圖上放置一個(gè)游標，將游標移至感興趣的采樣點(diǎn)位置，屏幕右下角將會(huì )顯示游標位置的電壓和電流vs時(shí)間的值。這一功能對用戶(hù)進(jìn)行SOA測試非常方便。儀器剛開(kāi)始采集到的SOA不安全采樣點(diǎn)可能意味著(zhù)浪涌電流的問(wèn)題，或者之后遇到的不安全采樣點(diǎn)問(wèn)題，可能意味著(zhù)對于負載突然變化的階躍響應問(wèn)題。

其它測量

此文不太可能覆蓋到所有的開(kāi)關(guān)電源測量項。如果您要了解更多測量案例請登錄www.lecroy.com。網(wǎng)站上的測量案例包括瞬時(shí)功率，功率損耗，動(dòng)態(tài)電阻值，實(shí)際功率和視在功率，線(xiàn)電流諧波、怎樣使用脈寬調制分析（圖1）測試電源軟啟動(dòng)過(guò)程和其它一些類(lèi)型的測量等。

所有這些測量案例都基于測量功率器件的電壓和電流值。其中，最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節就是使用最合適的探頭進(jìn)行安全準確的測量。力科提供了大量可選的解決方案，電流探頭（最大500A）和電壓探頭（最大20kV）。在一些應用場(chǎng)合，需要對浮地電壓進(jìn)行測量，可以選用ADP300（20MHz帶寬）和ADP305（100MHz）的高壓差分探頭，最大測量1.4kV差分電壓值。在其他一些測試場(chǎng)合，工程師往往需要測試大電壓上疊加的小信號值，在這些案例中可以使用前端差分放大器。力科DA1855A提供業(yè)內領(lǐng)先的100，000:1 CMRR和超快的過(guò)載恢復能力。

總結

設計功率器件需要的測試項目很多，同樣集成功率器件也需要測試電源系統。使用力科示波器的上述測試項目和功能能夠大大縮短測量時(shí)間，簡(jiǎn)化測量過(guò)程，加快產(chǎn)品的設計周期的同時(shí)不至于漏掉任何一個(gè)電源的缺陷，增加設計的可靠性。