如何使用示波器对电源进行测量与分析！

1.1

消除探头偏置和磁场

      为了测量被测器件的电压以及电流，我们会使用到两根（或者多根）独立的电压探头和电流探头。差分探头和电流探头，开机后可能产生失调现象，存在影响精度的小电压偏置，应该在测量之前消除这一零偏。机器经常使用后，电流探头传感器的会有剩余磁场，测量前也先应消磁，以提高测量精度。

       鼎阳CP5030电流探头支持消磁调零，按一下探头机身上的Degauss AutoZero按钮，机器自动消磁并清除测量系统中存在的任何 DC 偏置误差，消磁调零过程成功后，会有成功提示音“嘀嘀”两声提示，全程大约耗时5秒。

        鼎阳DP5150A 高压差分探头需要手动偏置调零，操作方法如下：

1) 按住并保持 ATTENUATION BANDWIDTH 两个按键，插上电源开机，过载指示灯点亮，进入测试模式，松开按键。

2) 该状态下进入高衰减倍数偏置调整，按下 ATTENUATION 按键，偏置递增；按下BANDWIDTH 按键，偏置递减，调整至合适位置。

3) 按下 AUDIBLE OVERRANGE 按键，切换到低衰减倍数档位偏置调整，通过ATTENUATION 和 BANDWIDTH 调整低衰减倍数。

4） 按下AUDIBLE OVERRANGE按键，过载指示灯灭，退出测试模式，偏置调整结束。

1.2

消除探头之间的时延

由于每一根探头都有其特性传播延迟，探头之间可能存在时延，从而引起定时差、相位和功率系数测量的不准确。为了达到更精确的测量效果，在正式测量之前需要对电流和电流探头进行时延校准，消除探头之间的传播误差。鼎阳科技提供 DF2001A 时滞校准板，可以有效地消除探头的时延。

操作方法：将消磁调零后的电流探头连接到时滞校准板的电流回路、将高压差分探头的红黑探夹分别连接到时滞校准板的信号输入端和接地端，将校准板上的开关 S1 调整到SMALL LOOP，并将探头与示波器相连，这里我们将高压差分探头与示波器通道 1 连接，电流探头与示波器通道 2 连接。连接如图 3 所示。

图 3. 探头与 DF2001A 连接示意图

进入示波器时滞校准界面，进入路径为：分析—电源分析—开关损耗—信号—时滞校准，如图 4 所示，设置输入电压通道和输入电流道，点击时滞校准，等待校准完成。

图 4.示波器时滞校准界面

2

交流输入分析

     

      在交流输入端上进行电源质量测量，测量项目包括电源质量分析、电流谐波测量和浪涌电流测量。

2.1

电源质量分析

       电源质量测量是一套标准功率测量，通常在AC线路上输入执行，也可以在器件的AC输出上，具体测量参数包括测量电源输入端的有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、功率相位角、电压有效值、电流有效值、电压波峰因数和电流波峰因数等电量参数。

       操作方法：用高压差分探头DPB5150A测量系统工频电压，将红黑探头分别接入输入电源的火线和零线上；使用CP5030电流探头测量系统工频电流,将电流钳夹住输入端的火线，连接示意和实际连接分别如图5、图6所示：

图5. 电源质量分析连接示意图

图6. 电源质量分析实物连接图

       在示波器上调出功率分析软件，检查设置的输入电压源、输入电流源是否与实际连接一致，在分析项中选择电源质量，给电源上电后，将测试状态打开。测试结果如图7所示：

图7. 电源质量分析测量结果

测量结果(取36次平均值)如下：

2.2

电流谐波测量

       开关电源一般会生成以奇数阶为主的谐波，倒送回电网。其影响具有累积性特点，随着连接到电网的开关电源增加，返回电网的谐波失真的总百分比会上升。由于这种失真会导致热量在电网的线缆和变压器中积聚，因此必需使谐波达到最小。业内制订了IEC61000-3-2等法规标准来限制谐波电流发射。鼎阳科技示波器配备的电源分析软件只需要简单的设置，就可以在系统交流输入端上进行电流谐波测量，并针对行业标准对电源的谐波进行预一致性检查。

       操作方法：保持上述硬件连接不变，在示波器的电源分析项下拉菜单切换为电流谐波，进入输入配置：调整测量的周期数，至少显示一个完整周期，可以手动调整也可以指定数值自动配置，采样率需要满足f s ≥ x*40*f Line x>=2。进入配置选项：选择自动获取线路频率，以及标准类型（以IEC61000-3-2A为例），执行测试。测试结果如图8所示。由测量结果列表得知，电流谐波均满足IEC61000-3-2A标准要求。

图8. 电流谐波测量结果

2.4

浪涌电流测量

       在稳定状态下通过光标测量得知该系统输入电流约1A，如图9所示。而接通电气设备电源时，在接通的瞬间可能会流过远远大于稳定电流的大电流，该电流即成为浪涌电流。电源分析软件支持测量初次开启电源时电源的峰值电流。

        操作方法：保持硬件连接不变，在示波器的电源分析项下拉菜单切换为浪涌电流，在输入设置中根据预期电流大小调整触发阈值（以5A为例），以便捕获到浪涌电流出现的位置。

图9.稳定状态下电流为1.0A

图10. 浪涌电流为7.421A

将测试状态由off调整为on，根据提示进行操作：关闭输入电源，选择下一步，进入Single触发模式，边沿触发，触发源为电流对应的通道；开启电源，点击下一步，等待测量触发到的波形的测量值，重复5次操作，取最大值为浪涌电流。如图10所示，浪涌电流的测量值为

7.421A。

3

开关切换参数测量

       

       在电源的开关设计部分，为了确认开关器件工作在正常范围内，通常需要测量开关能量损耗大小、开关转换速率，以及调制分析等内容。

3.1

开关损耗测量

      开关损耗包括开通损耗和关断损耗，在开关电源中，对MOS管进行开关操作时，需要对寄生电容进行充放电，从而引起损耗。开关损耗常用于量化传输到电源设备散热器的功率损耗，工程师也使用这个参数评估电源的转化效率，正确分析这些损耗对检定电源及测量其效率至关重要。鼎阳科技的电源质量分析软件可以计算在开关设备中的开关周期内耗散的功率。

       操作方法：由于测量开关损耗关键是捕获到开关跳变时的波形，电压、电流通道的时间

要对应，在测量之前要确定两通道输入已经进行相位校准。示波器经过开关器件的电压和流

经开关器件的电流，硬件连接方式如图11所示。

图11. 开关损耗测量连接示意图

       在示波器上设置电压参考值与电流参考值。电压达到电压参考值是算作损耗起点，电流低于电流参考值算作损耗终点，若起点在终点之后，则视作无损耗，起点和终点可以通过设置Gate实现。用math中的乘法即可表示开关损耗的功率。能量损耗为乘法结果的积分。根据测试结果可知被测开关装置在一个开关周期内的损耗值。

3.2

转换速率测量

       转换速率可测量开关期间电压或电流的变化速率。给输入施加上升沿和下降矩形波脉冲时，表示输出电压在单位时间内可发生什么程度的变化。图12表示转换速率的定义：

图12. 转换速率定义

dV/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，测量电源设备(MOSFET) 的 Vds 的转换速度。

dI/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，测量电源设备(MOSFET) 的 Id 的转换速度。

      操作方法：示波器经过开关器件的电压和流经器件的电流，硬件连接方式与上述开关损耗测量一致。

3.3

调制分析测量

       调制分析测量到开关设备（MOSFET）的控制脉冲信号，并观察控制脉冲信号响应不同事件的脉冲宽度、占空比、周期、频率等的趋势。

        操作方法：将高压差分探头红黑表笔分别接到开关的G端和S端，电流探头接入开关的D端，如图13所示。在示波器上在电源分析选项中的分析项切换为调制分析，在类型中选择所关注的平均值、交流有效值、周期等测量。将测试状态调整为on。

图13. 调制分析连接图

4

输出参数测量

     

     为了评估电源输出的稳定性和噪声，需要对输出的纹波、开关/关闭时间、瞬态响应时间进行测量。

4.1

输出纹波

      输出纹波表示输出直流电压的波动量。输出纹波对负载设备的正常工作产生很重要的影响，如果输出纹波过大，负载设备会工作不正常，或者会影响其工作的性能。电源分析软件中纹波分析能够测量电源输出端纹波的当前值、平均值、最小值、最大值、标准差和计数值。

      操作方法：测量输出纹波只需要使用一根电压探头，将电压探头调整为短接地（使用接地弹簧）并调整为1倍衰减，把电压探头连接到系统DC直流输出上，在示波器上打开电源分析菜单，在分析项中选择输出纹波，确定输入电压通道与连接一致，然后设置持续时间（调整时基），测量在持续时间内（8-10个开关周期）的峰峰值。将测试状态调整为ON，即可测得输出纹波的平均值为19.343mV。

图14. 输出纹波测量平均值19.343mV

4.2

开启/关闭时间

       开启分析可确定开启的电源达到其稳定状态输出 90% 所耗用的时间。关闭分析可确定关闭的电源降至其最大输出电压 10% 所耗用的时间。

       操作方法：将电源的DC电压输出和AC电流输入接入示波器，硬件连接如下：

图15. 开启/关闭时间测量连接图

       在示波器上进入电源分析选项，分析项选择开启/关闭；进入输入设置，本例输入电压为C1,输出电压C2，输入类型AC，输入最大值为220V，输出稳定电压16V，;选择测试为开启或者关闭即测试开启时间或者关闭时间，将测试状态调整为ON，根据提示进行一次开关

电源操作，使用稳定触发的波形进行相应计算。

       开启时间为AC输入电压上升至其最大幅度（起始时间）的10%的时间与DC输出电压上升至其最大幅度（结束时间）的90%的时间差值。关闭时间为DC输出电压下降至其稳定状态值（结束时间）的10%的时间与输入电压下降至其正峰值（或负峰值，以先发生的为准）起始时间的 10% 以下的时间差值。测量结果如下所示，开关的开启时间为26.62ms，关闭时间为89.34ms。

图16. 开启时间测量为26.63ms 

图17. 关闭时间测量为89.34ms

4.3

瞬变响应时间

        瞬变响应分析可确定电源的输出电压对输出负载变化的响应速度。该时间从输出电压首次退出稳定带开始，到最后一次进入稳定带为止。

      操作方法：将电源的DC电压输出和DC电流输出接入示波器，硬件连接如下：

图18. 瞬变响应时间测量连接图

        配置初始电流和改变负载后的稳定电流。点击应用后会提示用户操作，改变电源负载后，点击下一步；Single边沿触发，触发电平为大于或小于稳定输出电压+/-过冲。借助光标完成测量，水平光标间为稳定带（稳定电压上下x%，可设置），调整垂直光标至第一次离开稳定带与最后一次回到稳定带处，两光标间的时间差即为瞬变响应时间。

4.4

功率效率

      产品功率效率是决定其成功的重要因素。通过对系统输出功率与输入功率的测量，可以得到电源的整体效率。鼎阳科技的电源分析软件可以简便地测量此参数。因为要测量输入电压、输入电流、输出电压和输出电流，要求使用的示波器至少具备4通道。

       操作方法：将被测物的AC输入电压和电流、DC输出电压和电流通过探头与示波器连接，

硬件连接示意图如下：

图19. 功率效率测量连接图

      在示波器上打开电源分析软件，分别设置4个通道的电压电流，打开效率测量，执行测试。可以得出输入电压V_in、输入电流I _in 、输出电压V _out 、输出电流I _out ，和测量的持续时间。

效率 。N为整周期对应的点数,测量结果为-69.296%。

图20. 功率效率测量结果

5

生成报告

       

      数据的存储和调用是工程师在使用仪器过程中经常使用到的功能。SDS6000PRO-PA配有报告生成工具，并可以使用仪器面板上的Save功能，生成指定的报告格式到U盘。在操作过程中如果有重要的界面需要保存，也可以使用仪器自带的一键保存功能，保存屏幕截图到U盘。

对开关的电源进行质量分析，无需使用功率分析仪器，将示波器与功率分析软件结合使用，就可以快速、准确并且经济地进行电源分析，全过程不需要手动计算，也无需复杂地仪器操作，极大提升了工程师的工作效率。