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

校正傳導延遲誤差

在開(kāi)關(guān)電源內進(jìn)行功率損耗測量之前，應先同步電壓和電流信號，以消除傳導延遲，這一點(diǎn)很重要，該過(guò)程稱(chēng)作“偏移校正”。傳統方法是先計算電壓和電流信號之間的時(shí)滯，然后再以手動(dòng)方式通過(guò)示波器的偏移校正范圍調整時(shí)滯。但這是一個(gè)非常冗長(cháng)乏味的過(guò)程。

一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法是采用一種偏移校正夾具并選擇合適的示波器，如TDS5000系列示波器。進(jìn)行偏移校正時(shí)，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測試點(diǎn)上，偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號激勵，如果需要還可用外部信號源激勵偏移校正夾具。

另外在示波器上還可使用相應的測量軟件，利用其偏移校正能力自動(dòng)設置示波器并計算由于探接造成的傳導延遲。偏移校正功能隨后可使用示波器偏移校正范圍，對時(shí)滯進(jìn)行自動(dòng)補償，測試設置準備好后就可開(kāi)始進(jìn)行精確測量了。圖2顯示了偏移校正之前和之后的電流和電壓信號。

非周期性開(kāi)關(guān)信號功率損耗

如果發(fā)射極或漏極有接地，測量動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)參數則較為簡(jiǎn)單，但需在浮動(dòng)電壓上測量差動(dòng)電壓。若要精確測定并測量差動(dòng)開(kāi)關(guān)信號，最好使用差分探頭，可通過(guò)霍爾效應電流探頭查看穿過(guò)開(kāi)關(guān)的電流而無(wú)需干擾電路本身，此時(shí)也可用測量軟件的自動(dòng)偏移校正功能去除上述傳導延遲。

測量軟件的“開(kāi)關(guān)損耗”功能可自動(dòng)計算功率波形，并根據采集的數據測量開(kāi)關(guān)的最小、最大和平均功率損耗，在分析開(kāi)關(guān)功耗時(shí)，這些數據非常有用。如圖3所示，數據顯示為T(mén)urn on Loss、Turn off Loss和Power Loss。如果知道了接通和斷開(kāi)時(shí)的功率損耗，便可著(zhù)手解決電壓和電流躍遷，以減少功耗。

在負載變化期間，SMPS的控制回路將變換開(kāi)關(guān)頻率以驅動(dòng)輸出負載。請注意，當負載轉換時(shí)，開(kāi)關(guān)裝置的功耗也隨之變化，所產(chǎn)生的功率波形將是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件很枯燥的任務(wù)，不過(guò)測量軟件的高級測量功能可自動(dòng)計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，為用戶(hù)提供開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)信息。

負載動(dòng)態(tài)變化功耗分析

在實(shí)際運行環(huán)境中，電源裝置會(huì )連續發(fā)生動(dòng)態(tài)負載變化，所以測量中很重要的一步是要捕獲整個(gè)負載變化事件，并對開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行測定，以確保電源裝置不會(huì )因這些原因而過(guò)載。

當今大部分設計人員都采用具有深度存儲(2MB)和高取樣率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的難題，是如何分析在各開(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)上所生成的大量數據，這時(shí)也可利用測量軟件加以解決，圖4是在開(kāi)關(guān)電源上通過(guò)測量軟件獲得的典型功率波形結果。

在圖中可以看到捕獲數據中的開(kāi)關(guān)事件次數和開(kāi)關(guān)損耗最大值/最小值，此時(shí)用戶(hù)可輸入感興趣的范圍，以此查看所需的開(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)。只需在范圍內選擇感興趣的點(diǎn)，軟件便可在深度存儲數據內查找該點(diǎn)，找到后在光標位置周?chē)糯?，以詳細觀(guān)察其活動(dòng)。該功能加上前面提及的開(kāi)關(guān)損耗測量功能可使用戶(hù)迅速有效地分析開(kāi)關(guān)裝置的功率耗散情況。

電磁元件的功率損耗

另一種減少功率損耗的方法與磁芯有關(guān)。從典型AC/DC和DC/DC線(xiàn)路圖來(lái)看，電感器和變壓器是耗散功率的其它組件，不僅會(huì )影響功率效率，而且可造成熱耗散。

電感器的測試通常采用LCR計，它使用正弦波作為測試信號。但在開(kāi)關(guān)電源里，電感器加載的是高壓高電流開(kāi)關(guān)信號，都不是正弦信號，因此電源設計人員需監測實(shí)際通電的電感器或變壓器特性，此時(shí)用LCR計進(jìn)行的測試可能無(wú)法反映實(shí)際情況。

觀(guān)察磁芯特征最有效方法是通過(guò)B-H曲線(xiàn)，因為B-H曲線(xiàn)能迅速揭示電源內電感器的特性。在電源接通和穩態(tài)期間，電感器和變壓器表現出不同的行為特征。在過(guò)去，若想查看和分析B-H特征，設計人員須先捕獲信號，然后在個(gè)人電腦上作進(jìn)一步的分析，而現在可通過(guò)測量軟件直接在示波器上進(jìn)行B-H分析，即時(shí)觀(guān)察電感器行為特征。在做深入分析時(shí)，該軟件還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數據間的光標鏈接(圖5)。

B-H分析能力還可在實(shí)際SMPS環(huán)境中自動(dòng)測量功率損耗和電感器值。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯及次磁芯上進(jìn)行功率損耗測量，結果之差就是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外在無(wú)負載情況下，主磁芯功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內的總功率損耗，這些測量值可進(jìn)一步揭示功率耗散區的信息。