Tektronix电源测量和分析入门手册 （一 ）
在理想状态下，每个电源的的行为方式都应与设计使用的数学模型类似。但在实际环境中，元件是不理想的，负载会变化，线路电源可能会失真，环境变化会改变性能。此外，性能和成本需求变化也进一步提高了电源设计的复杂性。考虑一下下面的问题：
■电源可以保持高于额定输出容量多少瓦？保持多长时间？
■电源散发多少热量？在过热时会出现什么情况？要求多少冷却气流？
■在负载电流大幅度提高时会发生什么情况？设备能够保持额定输出电压 ( 负载稳压 ) ？电源对输出完全短路会作出什么样的反应？
■在电源输入电压变化时会发生什么情况 ( 线路稳压 ) ？
设计人员需要开发出占用空间更少、能耗效率更高、减少散热量、降低制造成本、满足更严格的 EMI/EMC标准的电源。只有严格的测量体系，才能引导工程师实现上述目标。
开关式电源基础知识
在大多数现代系统中，流行的 DC 电源结构是开关式电源(SMPS)，这种电源因能够高效处理负载变化而闻名。典型 SMPS 的电源信号路径包括无源元件、有源元件和磁性元件。SMPS 最大限度地减少了有损耗的元件的使用量，如电阻器和线性模式晶体管，重点采用(在理想条件下)没有损耗的元件，如开关式晶体管、电容器和磁性元件。
SMPS 设备还包括一个控制段，其中包含脉宽调制稳定器、脉冲速率调制稳定器和反馈环路等单元1 。控制段可以有自己的电源。图 1 是简化的 SMPS 示意图，其中显示了包括有源单元、无源单元和磁性单元的电源转换段。
SMPS 技术依托电源半导体开关设备，如金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET) 和绝缘门双极晶体管(IGBT)。这些设备提供了快速开关时间，能够耐受没有规律的电压峰值。同样重要的是，其在 On 状态或Off 状态下消耗的功率非常小，实现了很高的效率，而生成的热量很低。开关设备在极大程度上决定着
SMPS 的整体性能。开关设备的关键测量项目包括开关损耗、平均功率损耗、安全工作区等等。
有源元件测量：开关单元
开关式设备中的功率损耗原理
晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会达到最大，因为电路寄生信号会阻止设备立即开关。“关闭损耗”是指开关设备从ON 转换成 OFF 时损耗的能量，“启动损耗”则是指开关设备从 OFF 转换成 ON时损耗的能量。
关闭损耗
图 2 说明了怎样计算关闭损耗。在 t1 后，开关电流下降，二极管电流上升，时间 (t2-t1) 取决于驱动器对MOSFET 的栅极到漏极电容 Cgd 的充电速度。可以使用下面的公式估算转换过程中损耗的能量：
其中：
■ E off 是转换过程中开关损耗的平均能量。
■ V 8 .是栅极电压。
■ L 是流经电感器的电流。
■ 2 是转换结束时间。
■ 0 .是转换开始时间。
这个公式假设流经 C ds 和 C gd 的电压 ( 从漏极到源极的电容 ) 呈线性上升。C ds 和 C gd 是寄生电容。
在实际环境器件中，电容C ds 和C gd 呈高度非线性化，一般会随着漏极到源极电压变化。这在一定程度上会影响上面介绍的理论计算。在 IGBT 中，由于尾电流现象，电流的下降时间会比较高。这些差异使得工程师必须捕获电压不一致的实际曲线。带有专用电源测量软件的示波器可以大大简化这些测量。
启动损耗
图 3 是带有箝位电感负载和二极管恢复电荷的MOSFET 的启动损耗。在使用箝位电感负载启动MOSFET 时，直到存储的电荷恢复时才能积聚二极管电压。因此，二极管会在负方向上持续传导电流，直到阻塞电压，这会导致开关发生巨大的损耗。反向恢复电流依赖于二极管路径中的外部电路。二极管中的电荷取决于正向电流及二极管关闭转换过程中电流下降的 di/dt。
可以使用下面的公式估算转换过程中损耗的能量：
其中：
■ Eon .是转换过程中开关损耗的平均能量。
■ Va(t) .是瞬时栅极电压。
■ ia(t) 是流经开关的瞬时电流。
■ t1 是转换结束时间。
■ t0是转换开始时间。
功率损耗
■ 总损耗是开关中的平均功率损耗，包括开关损耗和
传导损耗。总损耗的计算公式如下：
其中：
■ P LOSS 是开关中的平均功率损耗。
■ V switch 是流经开关的瞬时电压。
■ I switch 是流经开关的瞬时电流。
■ T s 是开关周期。
安全工作区
开关设备安全工作区 (SOA) 指标绘制了电压对电流图，以检定设备的工作区域，其通常用来创建电源预计将遇到的各种工作条件的 SOA 曲线。
图4
这个实例摘自泰克 DPOPWR，说明了 SMPS 的 SOA曲线。可以把这个曲线与开关设备制造商公布的数据进行对比。
开关设备制造商的产品技术资料会概括对开关设备的某些限制。其目标是保证开关设备将容忍电源在最终用户环境中必须处理的工作边界。SOA 测试变量可能包括各种负荷方案、工作温度变化、高和低线路输入电压等等。图 4 是 SOA 曲线实例。
SOA 测试通常使用下面的公式计算功率：
动态开点电阻
可以使用元件产品技术资料中给出的 RDSON 值，估算开关设备在“on”状态下的电阻。但是，实际电阻( 进而是开关传导损耗 ) 并不是恒定不变的，可能会随着开关电压或电流变化而明显变化。
di/dt 和 dv/dt
di/dt 指标表示电流在开关过程中的变化速率，dv/dt指标则表示电压在开关过程中的变化速率。
进行有源元件测量
对习惯了使用示波器进行高带宽测量的工程师来说，电源测量由于频率相对较低，似乎会比较简单。但实际上，电源测量带来了高速电路设计人员从未面对的一系列挑战。
流经开关设备的电压可能会非常大，通常是“浮动的”，即不参考地电平，信号的脉宽、周期、频率和占空比会不一致。必须真实地捕获和分析波形的不理想特点。
选择适当的测量解决方案
在测量开关电源时，必需选择能够胜任工作的工具。为在测试过程中启动和关闭 SMPS，可能要求来自信号源的脉冲激励信号。为准确地仿真正常工作条件下的门驱动信号，激励信号必须有可以调节的占空比、边沿跳变时间和频率。为驱动 IGBT 设备，激励源还必须能够生成要求的电压，一般在 12.V.-.15.V。
当然，示波器必须有基本带宽和采样率，处理 SMPS内部的开关频率。此外，示波器必须有深存储器，提供在以高定时分辨率进行低频长采集时所需的记录长度。电源测量还要求至少两条通道，一条用于电压测量，一条用于电流测量。
把设备连接到示波器的探头也同样重要。测试中要求同时使用多种探头，如单端探头、差分探头和电流探头。应用软件可以提高电源测量的简便性和可靠性，进一步完善了这一系列工具。
示波器的性能指标
选择示波器时考虑的主要性能指标有上升时间、采样率、记录长度及提供的电源测量分析软件。
上升时间
尽管开关信号速度相对较低，但信号的上升时间可能会相当快。为准确地进行测量，示波器的上升时间至少要快五倍，才能捕获快速跳变的关键细节。
例如，如果开关信号的上升时间为 5.ns，那么示波器的上升时间至少应该是 1.ns，才能准确地进行测量。为提供这么快的上升时间，示波器的带宽一般至少要达到 350.MHz。
采样率
采样率用每秒样点数 (S/s) 表示，指数字示波器采集信号样点的频率。采样率越快，波形分辨率越高，波形越详细，关键信息或事件丢失的可能性越低。为检定SMPS 开关过程中一般出现的振铃，示波器的采样率必须足够快，以便捕获开关信号边沿上的多个样点。
记录长度
示波器捕获测量期间事件的能力取决于使用的采样率及存储采集的信号样点的存储器的深度 ( 记录长度 )。存储器的填充速度与采样率直接成正比。在采样率设置得足够高，能够以高分辨率详细地信号时，存储器会迅速填充。
对许多 SMPS 电源测量，必需捕获 1/4 周期或 1/2 周期 (90 度或 180 度 ) 的工频信号；有些测量甚至要求捕获整个周期。60.Hz工频的1/2周期的时间是8.ms多。在采样率为 1.GS/s 时，需要 8M 点的记录长度，才能捕获这么长的时间。
电源测量和分析软件
应用软件可以大大提高示波器上电源测量和分析的简便程度，其自动执行常用测量，提供详细的测试报告，简化了某些复杂的测量情况，如测量高低压信号，进行开关损耗和功率损耗测量。
图5
MOSFET 开关设备，显示了测量点。
在一个采集中测量 100 V 和 100 mV
为测量开关设备的开关损耗和平均功率损耗，示波器必须先分别确定 OFF 期间和 ON 期间流经开关设备的电压。
在 AC/DC 转换器中，流经开关设备的电压拥有非常高的动态范围。在 ON 状态期间流经开关设备的电压取决于开关设备的类型。在图 5 所示的 MOSFET中，ON 电压是信道电阻和电流之积。在双极结晶体管 (BJT) 和 IGBT 设备中，电压主要基于饱和电压下跌量 (VCEsat)。OFF 状态电压取决于开关式转换器的工作输入电压和拓扑。为计算设备设计的典型DC 电源通常会在80Vrms-264Vrms 的通用市政电压上工作。在最大输入电压下，流经开关设备的OFF状态电压(在TP1和TP2之间)可以高达750V。在 ON 状态下，流经相同端子的电压可以在几 mV到大约 1V 之间。图 6 说明了开关设备上的典型信号特点。
必须先测量这些 OFF 电压和 ON 电压，才能准确地测量开关设备上的功率。但是，普通 8 位示波器则很难准确采集 ( 在同一采集周期内 )ON 期间发生的mV 级信号及 OFF 期间发生的高压信号。
图6
开关设备的典型信号。
图7
DPOPWR 输入页面允许用户输入 RDSON 和 VCEsat 的产品技术资料值。
为捕获这个信号，示波器的垂直范围设置为每格100.V。在这个设置下，示波器将接受高达 1000.V的电压，因此可以采集 700.V 信号，而不会使示波器超载。使用这种设置的问题是，其可以解析的最小信号幅度是 1000/256 或大约 4V。
借助现代示波器所带的电源测量应用软件，用户可以把设备产品技术资料中的 RDSON 或 VCEsat 值输入测量菜单，如图 7 所示。或者在测得的电压位于示波器灵敏度范围内时，应用软件可以使用采集的数据计算数值，而不用手动输入数值。
图 8
传播延迟对电源测量的影响。
消除电压探头与电流探头之间的偏移
数字示波器进行电源测量时，必需测量流经 MOSFET开关设备漏极到源极的电压和电流或流经 IGBT 的集电极到发射器电压。这一任务要求使用两只不同的探头：一只高压差分探头和一只电流探头。后一种探头通常是非插入式霍尔效应型探头。每种探头都有自己的特性传播延迟。这两种延迟之差称为偏移，会导致定时测量不准确及功率波形失真。
必需了解探头的传播延迟对最大峰值功率和区域测量的影响。毕竟，功率是电压和电流之积。如果相乘的两个变量并没有在时间完美对准，那么结果会不正确。在探头没有正确校正偏移时，会损害测量精度，如开关损耗。图 8 所示的测试设置比较了探头尖端上的信号 ( 下面的轨迹显示画面 ) 与传播延迟后示波器前面板上的信
号 ( 上面的显示画面 )。
电压信号与电流信号之间 9.4.ns 的偏移
图9
在这一偏移下，功率波形的峰值幅度是 4.958.W
图10
在偏移校正过程后电压信号与电流信号对准。
图11
在偏移校正后峰值幅度上升到5.239.W.(高出5.6%)
图12
图 9 到图 12 是演示了探头偏移影响的实际示波器屏幕图。图 9 揭示了电压探头和电流探头之间的偏移，图 10 显示了在没有校正两只探头偏移前获得的测量结果 (4.958.W)。
图11显示了校正探头偏移的影响。两条参考轨迹重叠，表明延迟已经均衡。图 12 中的测量结果说明了正确校正偏移的重要性。这一实例证明，偏移引入了 5.6% 的测量误差。准确校正偏移减少了峰峰值功率损耗测量的误差。
某些电源测量软件将自动校正选定探头组合的偏移。软件控制着示波器，使用实时电流信号和电压信号调节电压通道和电流通道之间的延迟，消除电压探头和电流探头之间的传播延迟差异。另外还有一种静态偏移校正功能，其基于某些电压探头和电流探头拥有恒定的可重复的传播延迟。静态偏移校正功能根据选定探头的嵌入传播时间表，自动调节选定电压通道和电流通道之间的延迟。这种技术提供了快捷简便的方式，可以使偏移校正达到最小。
消除探头偏置和噪声
差分探头和电流探头可能会有较小的偏置。这会影响精度，在继续测量前必须消除这个偏置。某些探头内置自动去掉偏置的方法，其它探头则要求手动去掉偏置。
自动消除偏置
配有泰克TekVPI™探头接口的探头与示波器相结合，可以去掉信号路径中的任何 DC 偏置误差。按 TekVPI探头上的 Menu 按钮，会在示波器上调出一个 Probe.Controls 框，显示 AutoZero 功能。选择 AutoZero 选项将自动清零测量系统中存在的任何 DC 偏置误差。TekVPI 电流探头在探头机身上还有一个 Degauss/AutoZero 按钮。压下 AutoZero 按钮将去掉测量系统中存在的任何 DC 偏置误差。
图13
TDSPWR3 软件菜单上的信号调节选项。这个选项把开关设备“Off”期间的电流设为零。
手动去掉偏置
大多数差分探头内置 DC 偏置整理控制功能，可以相对简单地去掉偏置。类似的，在进行测量前，必需先调节电流探头。注意，差分探头和电流探头是有源设备，总会存在一定的低电平噪声，即使在静止状态下。这种噪声会影响依赖电压波形和电流波形数据的测量项目。某些电源测量软件包括信号调节功能 ( 图 13)，可以使固有探头噪声的影响达到最小。
