電源測(cè)量中示波器帶寬和采樣率的選擇

1、電源測(cè)量中示波器帶寬和采樣率的選擇作者：汪進(jìn)進(jìn) , “ ScopeArt先生”團(tuán)隊(duì)成員此前,我們遇到關(guān)于電源測(cè)量中示波器帶寬和采樣率這些基 本指標(biāo)該如何選擇的問題 ,如下:Dear Mr ScopeArt:在開關(guān)電源的測(cè)試中，遇到了些問題，在電源的測(cè)試過程中：使用帶寬500M的示波器，測(cè)試時(shí)使用200M的帶寬。測(cè) 量 MOS 管的 VDS 電壓。 示波器的采樣速率選擇 100K/s ，測(cè)得值 570V。-示波器的采樣速率改為 5M/S時(shí)，測(cè)得值為620V。請(qǐng)問:測(cè)試開關(guān)電源的過程中，示波器的帶寬使用多少比較合適？ 測(cè)試開關(guān)電源的過程中，示波器的采樣率使用多少比較合適？ 使用低速率的采樣速率難以

2、抓取到尖峰值， 會(huì)對(duì)電源的品 質(zhì)產(chǎn)生多大的影響？會(huì)有損壞電源的風(fēng)險(xiǎn)嗎？ 一般測(cè)試不同頻率的信號(hào)， 示波器的帶寬和采樣率如何選 擇比較合適？以上，盼復(fù)，謝謝！這類問題在各種行業(yè)的示波器使用中都 會(huì)遇到。1 電源測(cè)量中帶寬的選擇 示波器帶寬有四個(gè)相關(guān)名詞：模擬帶寬、數(shù)字帶寬，系統(tǒng)帶 寬和觸發(fā)帶寬。 數(shù)字帶寬等于采樣率的一半， 實(shí)用意義不大。 觸發(fā)帶寬是示波器廠商“硬”造出來的一個(gè)概念，是指示波器 觸發(fā)電路可以正常工作的最大輸入正弦信號(hào)的頻率。對(duì)于高 端示波器，觸發(fā)電路在輸入信號(hào)頻率超過一定大小就不能工 作了 ! 系統(tǒng)帶寬是指示波器前端放大器和探頭、 測(cè)試夾具等 組成的測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。一般不特別說明

3、，帶寬即是指示波 器的模擬帶寬 ,也就是示波器前端放大器的幅頻特性曲線的 截止頻率點(diǎn)。示波器的放大器是低通濾波器，其幅頻特性曲 線如圖 1 所示，帶寬就是輸入電壓幅值降低到輸入-3dB(70.7%) 時(shí)的截止頻率點(diǎn)。帶寬選擇的理論依據(jù)，用一句話來概括就是帶要能覆蓋被 測(cè)信號(hào)能量的 99%以上。我們知道， 任何信號(hào)都可以分解為 無數(shù)次諧波的疊加，但是被測(cè)信號(hào)分解到多少次諧波之后能 量會(huì)衰減到只剩下 1% 呢？ 這個(gè)答案不直觀， 因此帶寬的選 擇是示波器行業(yè)的銷售人員幾乎每天都會(huì)遇到的問題。這個(gè) 問題有時(shí)侯很嚴(yán)肅，有時(shí)侯很滑稽。其實(shí)，帶寬的選擇是一 個(gè)相對(duì)的結(jié)果，它取決于被測(cè)信號(hào)的類型和測(cè)量的準(zhǔn)確

4、度。 最關(guān)鍵的因素是上升時(shí)間。上升時(shí)間越小，上升沿越陡，被 測(cè)信號(hào)的高次諧波含量越豐富，需要的帶寬越大。這里面就需要一些數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)來確定具體上升時(shí)間和信號(hào)能量之 間的量化關(guān)系。業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的兩個(gè)帶寬選擇的原則是：當(dāng)被測(cè)信號(hào)是串行數(shù)據(jù)時(shí)，串行數(shù)據(jù)的上升時(shí)間如果大于20% UI （一個(gè)比特位的時(shí)間長(zhǎng)度） ，那么示波器帶寬只要達(dá) 到被測(cè)信號(hào)比特率的 1.8 倍就能覆蓋信號(hào)能量的 99.9% 。如 果上升時(shí)間大于 30% UI, 只要 1.2倍信號(hào)的比特率就足夠了。現(xiàn)實(shí)電路中，串行數(shù)據(jù)的上升時(shí)間絕大多數(shù)在接收端時(shí)都大 于 30%了。因此，對(duì)于 3Gbps 的 SATA 信號(hào)，在經(jīng)過夾具 之后用 4G

5、Hz 示波器就可以。 大家可以用 4GHz 、6GHz 、 13GHz 測(cè)試后比較一下看看。 電源不是串行信號(hào)，上面的規(guī)則并不適用。 在很久很久 以前，業(yè)內(nèi)一就直流傳的帶寬選擇依據(jù)是“3 到 5 倍”法則， 即帶寬是被測(cè)信號(hào)頻率的“3到 5倍”。其實(shí)這里面沒有強(qiáng)調(diào) 上升時(shí)間，這個(gè)法則不夠具有普適性。 SI 之父 Howard Johnson 以其個(gè)人權(quán)威給出一個(gè)從示波器上升時(shí)間來選擇帶 寬的原則，但他沒有給出詳細(xì)的推導(dǎo)。Howard 認(rèn)為，當(dāng)示波器上升時(shí)間小于被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間的1/3 時(shí)，測(cè)量結(jié)果的誤差小于 5% 。示波器上升時(shí)間約等于0.35/ 示波器帶寬。 這里面 0.35 是基于理想的低

6、通濾波器模 型 RC 電路推導(dǎo)的，實(shí)際可能是 0.45,0.5 不等。因此，我們 可以根據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間推導(dǎo)出需要的示波器上升時(shí)間，再 根據(jù)示波器手冊(cè)或 0.35 的關(guān)系式選擇示波器帶寬。關(guān)于帶寬的選擇，業(yè)內(nèi)充斥著不專業(yè)，不負(fù)責(zé)任的言論。這 是值得警惕的。讓我們回到問題本身 ,關(guān)于開關(guān)電源的帶寬選擇 ,要看具體測(cè) 量需求。開關(guān)電源需要測(cè)量的信號(hào)可能包括：測(cè)量開關(guān)管（主流是 MOSFET ）的帶寬選擇電源調(diào)試中，要反復(fù)測(cè)量開關(guān)管的漏源極電源 Vds ，驅(qū)動(dòng)電 壓 Vgs ，漏源極電流 Ids 等，以確定上下開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間以防止開關(guān)管“直通”導(dǎo)致電源炸機(jī)，要測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形， 該波形的上升沿緩慢

7、，開關(guān)管損耗會(huì)更大，上升沿陡，開關(guān) 管損耗會(huì)更小，但漏源極過沖會(huì)更大。 最重要的測(cè)量是確 保 Vds 的電壓峰峰值在各種動(dòng)態(tài)條件下不會(huì)超個(gè)開關(guān)管Vds的最大限值。這些動(dòng)態(tài)條件包括負(fù)載從空載到滿載，滿載到 空載的跳變 ; 負(fù)載在 50%-75%-50%,25%-50%-25% 之間的 來回連續(xù)的跳變， 以及開機(jī)軟啟動(dòng)過程 Vds 的峰值電壓。 這 些動(dòng)態(tài)條件下準(zhǔn)確測(cè)量 Vds 的影響因素眾多， 在此不一一細(xì) 述。 這個(gè)測(cè)試項(xiàng)目在電源工程師心中的重要性我深以為然。 這個(gè)值測(cè)量不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管容易被損壞，或者是 開關(guān)管的耐壓值超過實(shí)際需要， 影響到成本。 開關(guān)管 Vds 額 定值越大， 價(jià)格

8、越貴。 因此， 很多電源工程師糾結(jié)在這里。開關(guān)管的上升時(shí)間取決于開關(guān)管具體型號(hào)。 一般功率小的 電源開關(guān)頻率可以達(dá)到 1MHz 甚至更大， 對(duì)應(yīng)的開關(guān)管的上 升時(shí)間越小。 功率大的電源開關(guān)管開關(guān)頻率小， 只有 100KHz 甚至更小，上升時(shí)間大。但是多數(shù)開關(guān)管上升時(shí)間達(dá)到了 100ns 。即使開關(guān)管上升時(shí)間只有 30ns ，1/3 的上升時(shí)間也 有 10ns, 而 100MHz 的示波器的上升時(shí)間只有 3.5ns 。因此， 用 100MHz 帶寬示波器測(cè)量開關(guān)電源的開關(guān)管是足夠的。 其 實(shí)，很少有開關(guān)管上升時(shí)間只有 30ns 的，限制帶寬到 20MHz 就足夠了。但這點(diǎn)曾經(jīng)受到有些電源工程師的

9、質(zhì)疑，他認(rèn)為 對(duì)于 Vds 的高壓信號(hào)，要看尖封毛刺局部的上升時(shí)間， 研究 其包含的能量。這里要特別說明的是，測(cè)量開關(guān)管特別是半橋或全橋電路的 上半橋，因?yàn)槭遣粚?duì)地的懸浮高壓，一般要用高壓差分探頭 測(cè)量。目前高壓差分探和電流探頭 90% 以上都是第三方OEM 的，最大帶寬只有 100MHz 。雖然標(biāo)稱帶寬是 100MHz ， 但往往不是和示波器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)的，因此，和 100MHz 示波器組成的系統(tǒng)帶寬只有 70MHz 。但如果用 200MHz 示波器，和 100MHz 的探頭組成的系統(tǒng)帶寬則可以 達(dá)到 100MHz ，如果您認(rèn)為 Vds 的尖峰毛刺的信號(hào)能量是必 須用 100MHz

10、測(cè)量的話。測(cè)量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的帶寬選擇 有些復(fù)雜的電源系統(tǒng)，有很多電源模塊組成， 需要使用 DSP 或者 Power PC 來作為控制核心。有一些外設(shè)存儲(chǔ)單元，鍵 盤監(jiān)控單元等。這將涉及到時(shí)鐘信號(hào)， CAN 控制信號(hào)， I2C ， SPI 等信號(hào)的測(cè)量。這些信號(hào)的速率除時(shí)鐘頻率外都不高。 如果為了測(cè)量 DSP 時(shí)鐘信號(hào)，最好要選擇 500MHz 帶寬甚 至 1GHz, 但電源工程師很少對(duì)這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行認(rèn)真地測(cè) 量。其它信號(hào)帶寬都只要 20MHz 就可以了。測(cè)量電源紋波和電源噪聲的帶寬選擇電源紋波和電源噪聲在國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了一種約定俗成的理 解。電源紋波理解為電源模塊本身輸出電壓的波動(dòng),

11、和電路板上復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)無關(guān)?；蛘哒f，電源輸出的源端（ Source 端）的電壓的波動(dòng) ; 電源噪聲則是指電源模塊工作在實(shí)際電 路系統(tǒng)中，經(jīng)過供電分布網(wǎng)絡(luò)（PDN ）將電源能量輸送到芯 片管腳處，在芯片管腳處的電壓的波動(dòng)，或者說是電源輸出 末端（Sink端）電壓的波動(dòng)。簡(jiǎn)言之，電壓的波動(dòng)在源端叫紋 波（ Ripple） ，在末端叫噪聲（ Noise） 。電源紋波包括的信號(hào)頻率成分主要是工頻 100Hz 和開關(guān)頻 率，一般是將帶寬限制到 20MHz 。有人問我，為什么是 20MHz 而不是 10MHz,5MHz ？這確是有趣的好問題！電源噪聲的測(cè)量，我建議的帶寬是 500MHz 。這方面有個(gè)很

12、多討論和爭(zhēng)論。此文不再細(xì)述。測(cè)量電源產(chǎn)品的快速瞬變脈沖放電的帶寬選擇我曾遇到一些客戶要買示波器只是為了測(cè)量 EMI 快速瞬變 脈沖放電過程。很遺憾的是，一直沒找到機(jī)會(huì)親自和這些客 戶一起測(cè)量這類信號(hào)。測(cè)量具體方法是將高壓信號(hào)通過專用 的“分壓器”元件分壓后通過 BNC 同軸線連接到示波器。示波 器選擇的帶寬 1GHz 以上，最好是 2GHz ，采樣率一定要 10GS/s 。其實(shí)，這里 面“分壓器”的帶寬影響到系統(tǒng)帶寬， 因?yàn)樗菧y(cè)量系統(tǒng)的一部分。2 電源測(cè)量中采樣率的選擇 采樣率的概念極好理解，表示每秒采樣多少個(gè)點(diǎn)。例如采樣率為10GS/S即表示每秒采樣10G個(gè)點(diǎn)?！?S”在這里理解為Samp

13、les 的意思，有些文檔中將采樣率寫為 10GSa/s 。 采 樣率的倒數(shù)就是采樣周期，表示每隔多長(zhǎng)時(shí)間采樣一個(gè)點(diǎn)，如 10GS/S 采樣率就表示每隔 100pS 采樣一個(gè)點(diǎn)。有個(gè)著名奈奎斯特采樣定理告訴我們：當(dāng)采樣率是被測(cè)信號(hào) 最高頻率的兩倍以上的時(shí)候才能保證不失真的重構(gòu)信號(hào)。但 是，被測(cè)信號(hào)的最高頻率對(duì)于非正弦信號(hào)也并不直觀。即使 對(duì)于正弦信號(hào)，對(duì)于示波器的應(yīng)用，一個(gè)周期采樣兩個(gè)點(diǎn)， 也并不能非常完好地重構(gòu)原始信號(hào)。 這么多年來，我推薦 的判斷采樣率是否足夠的方法是：確保感興趣的信號(hào)上升沿 采樣 3-5 個(gè)點(diǎn)。最好是 5 個(gè)點(diǎn)，在示波器條件限制時(shí)采樣 3 個(gè)點(diǎn)，誤差也不大。感興趣的上升沿采

14、樣 5 個(gè)點(diǎn)和 10 個(gè)的 點(diǎn)測(cè)量結(jié)果幾乎完全一致。根據(jù)此結(jié)論，回到我們對(duì)電源測(cè) 量中采樣率的選擇問題：測(cè)量開關(guān)管的采樣率選擇 測(cè)量電源開關(guān)管的采樣率建議是 250MS/s 以上，因?yàn)殚_關(guān)管 的上升沿的尖峰毛刺部分如果能準(zhǔn)確地重構(gòu)， 需要 4ns 采樣 一個(gè)點(diǎn)。甚至對(duì)于有些開關(guān)管， 250MS/s 都不是很充分。 實(shí) 際測(cè)量中大家可以將 Vds 波形上升沿局部放大，查看尖峰毛 刺上是否采樣到5個(gè)點(diǎn)。250MS/S這個(gè)數(shù)據(jù)是我從一個(gè)電源 工程師改行做示波器銷售工程師之后回到老東家親自測(cè)量 確認(rèn)的一個(gè)數(shù)據(jù)， 10 年過去了，我至今印象深刻。有趣的是， 在我當(dāng)年工作的高富帥公司，有很多技術(shù)牛人，內(nèi)部

15、有很多 測(cè)量規(guī)范文檔，但似乎也沒人去在意該怎么確定示波器的采 樣率，只是老板常告訴我按 auto Setup 之后將波形展開后才 能測(cè)量出真正的 VdS 峰值。我當(dāng)時(shí)核實(shí)測(cè)量的是 MOSFET IRF460 。但 50MS/S 能滿足 大多數(shù)開關(guān)管的準(zhǔn)確測(cè)量。、/. I、, G :注意：（1 ）有些示波器默認(rèn)插值方式是正弦插值（sinx/x 插值），就是在真實(shí)的采樣點(diǎn)的中間會(huì)根據(jù) sinx/x 算法插入若干個(gè) “計(jì)算得到的假點(diǎn)”。這樣放大波形的局部，您看到上升沿還 是有很多計(jì)算得到的假點(diǎn)，會(huì)被誤認(rèn)為采樣率足夠，帶來錯(cuò) 誤的判斷和錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。（2）還有些示波器不能固定采樣率，只能固定存儲(chǔ)深度

16、， 但是因?yàn)椴蓸勇?*采樣時(shí)間 =存儲(chǔ)深度，隨著時(shí)間的增加，采 樣率不斷地降低，而當(dāng)您將時(shí)間減少時(shí)，采樣率又自動(dòng)增加 了，展開波形時(shí)看到的尖峰毛刺上仍然有足夠多的點(diǎn)。測(cè)量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的米樣率選擇這部分的信號(hào)頻率最高的是 DSP 的時(shí)鐘，建議用 5GS/s 以上采樣率。測(cè)量電源紋波和電源噪聲的采樣率選擇 測(cè)量電源紋波的采樣率的選擇和測(cè)量開關(guān)管一樣，建議為 250MS/s 以上，因?yàn)殡娫醇y波中包含了開關(guān)頻率成分。 但對(duì) 于電源噪聲，因?yàn)槠渲邪藖碜杂诟咚傩酒ㄟ^電源和地 平面?zhèn)鬏數(shù)脑肼?，呈現(xiàn) 200MHz 左右的高頻成分，建議的采 樣率為 5GS/s 以上才是足夠的。測(cè)量電源產(chǎn)品的快速瞬