用數字熒光示波器對開(kāi)關(guān)電源功率損耗進(jìn)行精確分析
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隨著(zhù)電子產(chǎn)品對開(kāi)關(guān)電源需求不斷增長(cháng)，下一代開(kāi)關(guān)電源的功率損耗測量分析也越來(lái)越重要。本文介紹如何將數字熒光示波器和功率測量軟件結合起來(lái)，迅速測定開(kāi)關(guān)電源的功率損耗，并輕松地完成各項所需的測量和分析任務(wù)。
高速GHz級處理器需要新型開(kāi)關(guān)電源(SMPS)提供高電流和低電壓，這給電源設計人員在效率、功率密度、可靠性和成本等方面增加了新的壓力。為了在設計中考慮這些需求，設計人員紛紛采用同步整流技術(shù)、有源功率濾波校正和提高開(kāi)關(guān)頻率等新型體系結構，但這些技術(shù)也隨之帶來(lái)了一些新的難題，如開(kāi)關(guān)上較高的功率損耗、熱耗散和過(guò)度的EMI/EMC等。
從“關(guān)”(導通)至“開(kāi)”(關(guān)斷)狀態(tài)轉換期間，電源會(huì )出現較高的功率損耗；而處于“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)之中開(kāi)關(guān)功率損耗則較少，因為通過(guò)電源的電流或電源上的電壓很小。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負載電流，但電感器和變壓器也易受開(kāi)關(guān)頻率的影響，從而導致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。
功率損耗分析
由于開(kāi)關(guān)電源內部消耗的功率決定了電源熱效應的總體效率，所以測定開(kāi)關(guān)裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作，它可測定功率效率和熱耗散。
設計人員在精確測量和分析各種設備的瞬時(shí)功率損耗時(shí)，會(huì )面臨下面一些困難：
- 需要測試裝置對功率損耗進(jìn)行精確測量
- 如何校正電壓和電流探頭傳導延遲所造成的誤差
- 如何計算非周期性開(kāi)關(guān)變化的功率損耗
- 如何分析負載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗
- 如何計算電感器或變壓器的磁芯損耗
測試裝置
圖1為開(kāi)關(guān)變換簡(jiǎn)化電路圖，MOSFET場(chǎng)效應功率晶體管在40kHz時(shí)鐘激勵下控制著(zhù)電流。圖中的MOSFET沒(méi)有與AC饋電線(xiàn)接地或電路輸出接地的連接，即與地隔離，因此無(wú)法用示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的接地參考電壓測量。因為若把探頭的接地導線(xiàn)連接在MOSFET任何端子上，都會(huì )使該點(diǎn)通過(guò)示波器與地短路。
在這種情況下，差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。通過(guò)差分測量，可測定VDS即MOSFET漏極和源極的電壓。VDS可在電壓之上浮動(dòng)，電壓范圍為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍?？赏ㄟ^(guò)下面幾種方法測量VDS：
- 懸浮示波器的機箱地線(xiàn)。建議不要使用，因為這樣不安全，對用戶(hù)、被測設備和示波器都有危險。
- 使用兩個(gè)常規單端無(wú)源探頭，將其接地導線(xiàn)連接在一起，然后用示波器的通道計算功能進(jìn)行測量。這種測量法叫做準差分測量，雖然無(wú)源探頭可與示波器的放大器結合使用，但缺少避免共模電壓“共模抑制比”(CMRR)功能。這種設置不能準確測量電壓，不過(guò)可使用已有的探頭，不必購買(mǎi)新配件。
- 購買(mǎi)一個(gè)探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭接地導線(xiàn)將不再為接地電位，并可將探頭與測試點(diǎn)直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但比較昂貴，其成本是差分探頭的二至五倍。
- 在寬帶示波器上使用真正的差分探頭?？赏ㄟ^(guò)差分探頭精確地測量VDS，這也是最好的方法。
通過(guò)MOSFET進(jìn)行電流測量時(shí)，先將電流探頭夾好，然后微調測量系統，許多差分探頭都裝有內置的直流偏移微調電容器。關(guān)閉被測設備，待示波器和探頭完全預熱后，可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。敏感度設置應使用實(shí)際測量所用的數值，在沒(méi)有信號的情況下，調整微調電容器，將每個(gè)波形的零位平均值調至0V。這一步驟可最大限度減少因測量系統內的靜態(tài)電壓和電流而導致的測量誤差。
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