使用這些探測小貼士來(lái)改善功率轉換測試

今天的電源設計人員和測試工程師都在努力尋找非常小的漸進(jìn)改良方案，來(lái)提高功率轉換效率，或降低設計中的損耗。這要求能夠準確評估和測量非常小的性能提高。

幾乎在功率轉換器的每個(gè)部分都存在損耗源，關(guān)鍵區域通常包括開(kāi)關(guān)半導體、磁性元件和整流器。即使性能只改進(jìn)了幾個(gè)百分點(diǎn)，甚至是不到百分之一，可能也會(huì )具有重大的意義。而為了準確評估和測量這么小的性能提高，異常準確的測量至關(guān)重要。

大多數示波器都帶有10X衰減無(wú)源探頭，因為這種探頭適合在各種各樣的應用中進(jìn)行測量。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz，一般能夠測量高達幾百伏的電壓。當然使用通用探頭進(jìn)行功率測量也是可以的，但與這些專(zhuān)為功率應用設計的探頭相比，其不可能提供所需的精度，來(lái)推動(dòng)改善功率轉換性能。

信號靈敏度

我們看一下通用探頭存在短板的實(shí)例。在電源設計和測量中，一個(gè)常見(jiàn)的挑戰是把噪聲與紋波電壓隔開(kāi)。在本例中，我們要使用通用10X探頭探測3.3 V電源。問(wèn)題在于， 10X探頭沒(méi)有提供足夠的靈敏度，觸發(fā)波形中存在的周期噪聲。這些探頭非常適合許多通用電子測量，因為它們提高了示波器的電壓范圍，提供了相對較高的帶寬。

然而，為了測量幾十毫伏的小信號， 1:1 (1X)探頭會(huì )是更好的選擇，因為它導致的信號衰減不大，不會(huì )把信號向下推進(jìn)到示波器的噪底。遺憾的是，這種靈敏度優(yōu)勢被它的帶寬劣勢抵消了，其帶寬通常只有15 MHz左右。如果這種帶寬對測量不夠，那么最好使用無(wú)源2X探頭。

事實(shí)證明，在這種應用中，2X探頭是正確的選擇?？匆幌聢D1中的波形。黃色軌跡是10X探頭，它調整到每格10 mV的最低垂直設置;藍色波形是2X探頭?？梢园?X探頭調節到每格2 mV的最低垂直設置。由于電源輸出會(huì )產(chǎn)生3 mV紋波的信號，因此很明顯，10X衰減的探頭不太適合這種測量。

圖1. 使用2X探頭(藍色軌跡)和10X探頭(黃色軌跡)測量3.3 V電源。

差分測量

上面討論的紋波測量，只是電源設計和調試中能夠安全高效地使用單端(參考地電平)探頭的諸多應用中的一種。但許多功能轉換測量要在浮動(dòng)環(huán)境中完成，這些應用中是不能參考地電平的。

圖2指明了沒(méi)有綁到接地，要求差分測量技術(shù)的多種常見(jiàn)的功率轉換測量：

1. MOSFET上的漏極到源極電壓(VDS)

2. 續流二極管上的二極管電壓

3. 電感和變壓器電壓

4. 未接地的電阻器中的電壓降

圖2. 推/拉功率轉換器上的部分差分測量點(diǎn)。

可以通過(guò)多種方式執行差分測量，包括：

· 使用兩只單端探頭，計算電壓差

· 使用帶有專(zhuān)門(mén)設計的浮動(dòng)輸入的示波器

· 選擇與測量最匹配的差分探頭

使用兩只單端探頭

一種常用技術(shù)是使用兩只單端探頭，每只探頭的地線(xiàn)接地，并在被測元件的兩側尖端，如圖3所示。然后把示波器設置成顯示通道1和通道2之差。這有時(shí)稱(chēng)為 “A-B”，它使用示波器中的數學(xué)運算來(lái)顯示兩條通道的電壓差。在需要進(jìn)行差分測量，但沒(méi)有合適的測試設備時(shí)，工程師有時(shí)會(huì )使用這種技術(shù)。

圖3. 使用兩只單端探頭進(jìn)行準差分測量。

這種方法有幾個(gè)問(wèn)題。只有在探頭和示波器通道非常匹配時(shí)(包括增益、偏置、延遲和頻響)，這種方法才會(huì )得到很好的測量結果。該方法不能提供非常好的共模抑制(清除兩個(gè)輸入共有信號的任何AC部分或DC部分)。此外，如果兩個(gè)信號沒(méi)有正確定標，可能會(huì )出現示波器輸入過(guò)載的情況，得到錯誤測量結果。

使用浮動(dòng)輸入

我們也可以使用“浮動(dòng)”示波器。這些示波器的每條輸入通道在電氣上與機箱接地隔離，然后示波器使用電池供電。示波器機箱到接地的寄生電容也非常低。浮動(dòng)示波器的這些隔離特點(diǎn)，可以使用一只絕緣的無(wú)源探頭來(lái)進(jìn)行差分測量。這些儀器非常方便，使用簡(jiǎn)便，效果好。但是，差分電壓探頭的電容較低，要求高度平衡。

匹配的差分探頭

為獲得最好的測量精度，使用技術(shù)指標與測量任務(wù)相匹配的差分探頭通常是最佳的選擇。差分探頭是有源器件。它們在探頭尖端有一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計的差分放大器，只測量經(jīng)過(guò)兩個(gè)測試點(diǎn)的電壓，而不管任一測試點(diǎn)和接地之間的電位是多少，這就大大簡(jiǎn)化了探測任務(wù)，消除了某些可能的誤差來(lái)源。另外，由于它們只測量差分電壓，因此它們還可以忽略并清除可能存在的共模AC擺幅或DC偏置電壓。

由于被測器件(DUT)不同部分的測量可能有著(zhù)完全不同的要求，因此必須審慎地選擇探頭。在圖4所示的實(shí)例中，手邊的任務(wù)是測量被測電源MOSFET開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)機損耗、關(guān)機損耗以及傳導損耗。圖4是帶有測量點(diǎn)TP1和TP2的MOSFET的簡(jiǎn)化示意圖。

圖4. 帶有多個(gè)測試點(diǎn)的MOSFET的簡(jiǎn)化示意圖。

被測器件是一種“通用”電源，設計為從世界各國的AC線(xiàn)路(或“市電”)電壓供電。僅此一項，就給工程師的測試要求及測試設備提出了多項要求：

· 這種器件的額定輸入電壓一般在80 VAC ~ 250 VAC或更寬。為表征全球各種輸入電壓下的性能，不僅要執行一項測量，還要在多種輸入電壓下執行一系列測量。這適用于被測試的每個(gè)性能參數。開(kāi)關(guān)特點(diǎn)(及相應損耗)預計在每個(gè)輸入電壓上都不同，可能不會(huì )以線(xiàn)性方式變化。這不僅提高了要執行的測量總數，還需要在測量之間實(shí)現可重復性。

· 由于輸入供電電壓高達250 VAC，開(kāi)關(guān)MOSFET中漏極和源極之間的電壓預計會(huì )達到354 V或更高。探測解決方案必需擁有足夠的通用性，來(lái)測量這些電壓以及在某些測試中還要能夠測量低得多的電壓。

被測電源的開(kāi)關(guān)速率為250 kHz。根據測量帶寬常用的5倍法則，這相當于要求1.25 MHz的測量帶寬。但這是現實(shí)世界信號速度的簡(jiǎn)化版，因為開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際上升時(shí)間預計會(huì )超過(guò)它一個(gè)量級。同樣，可能還要考察尖峰、瞬態(tài)信號和其他噪聲。如果要測量上升時(shí)間為幾十納秒的信號，那么探頭的上升時(shí)間應在幾納秒。為在這個(gè)應用實(shí)例中準確地進(jìn)行測量，測量系統的帶寬應在350 MHz或更高。

小結

選擇最好的探頭與應用關(guān)系密切，因此必須了解應用的測量要求，確保探頭與工作完全適應。對許多功率電子測量來(lái)說(shuō)，差分探頭是一個(gè)明確的選擇，特別是沒(méi)有參考地電平的測量。對參考地電平的測量，單端探頭是一個(gè)很好的選擇，但注意不要使用10X探頭，以免過(guò)度衰減小信號。對低壓信號，如紋波，最好使用1X探頭或2X探頭。