用示波器對功率損耗進行高精度分析

1、用示波器對功率損耗進行高精度分析隨著許多行業(yè)對開關電源需求的不斷增長，測量和分析下一代開關電源的功率損耗就顯得至關重要，本文介紹了如何利 用TDS500O系列數(shù)字熒光示波器，加上TDSPWR2功率測量軟件進行功率損耗分析。新型的開關電源(SMPS，SwitchModePowerSupply)需要給具有數(shù)據(jù)傳輸速度高和GHz級處理器提供較低的電壓合很高 的電流，這給電源設計人員在電源效率、功率密度、可靠性和成本幾方面增加了無形的新壓力。為了在設計中考慮到這些需 求，設計人員采用了同步整流技術、有源功率因數(shù)校正和提高開關頻率等新結構。這些技術也隨之帶來了某些更高的挑戰(zhàn)， 如:開關器件上較高的功率損

2、耗和過度的EMI/EMC。由于開關式電源耗散的功率決定了電源的效率及其熱效應，所以測定開關器件和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為 重要的測量工作。設計人員在精確測量和分析各種設備的瞬時功率損耗時，所面臨的挑戰(zhàn)有下列幾個方面精確測量功率損 耗所需的測試裝置；校正電壓和電流探頭傳導延遲所造成的誤差；計算非周期性開關變化的功率損耗圖；分析負載動態(tài)變化 期間的功率損耗；計算電感器或變壓器的磁芯損耗。精確測量功率損耗所需的測試裝置圖1所示為開關變換的簡化電路。圖1中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地連接，即與地隔離，因此 無法用示波器進行簡單的接地參考電壓測量，因為若把探頭的接地導線連接

3、在MOSFET的任何端子上，都會使該點通過示 波器與接地短路。圖1開關內(nèi)的電路示意圖在這種情況下，差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。差分測量可測定漏極-源極電壓(VDS)，即MOSFET的 漏極端子和源極端子上的電壓。VDS可在電壓之上浮動，電壓范圍可為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍。這里 可通過以下幾種方法測量VDS:*懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用，因為這樣極不安全，對用戶、被測設備和示波器都有危險。*使用兩個常規(guī)的單端無源探頭將其接地導線連接在一起，然后用示波器的通道計算功能迸行測量。這種測量法叫做準 差分測量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結合使用，但缺少可適當

4、阻止任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)功能，這種 設置不能準確測量電壓，但可使用已有的探頭。*使用市場上可以買到的探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭的接地導線將不再為接地電位，并可將探頭與一個測試 點直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但較為昂貫，其成本是差分探頭的25倍。*在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。可通過差分探頭精確地測量VDS，這是最好的方法。通過MOSFET進行電流測量時，先將電流探頭夾好，然后微調(diào)測量系統(tǒng)。許多差分探頭都裝有內(nèi)置的直流偏移微調(diào)電 容器。關閉被測設備待示波器和探頭完全預熱后，便可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。應使用實際測量所用的數(shù) 值設置敏感度。在

5、沒有信號的情況下，調(diào)整微調(diào)電容器，將每一波形的零位平均值調(diào)至0V，這一步驟可最大限度地減少因 測量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導致的測量誤差。校正因電壓和電流探頭傳導延遲而造成的誤差在開關式電源內(nèi)進行任何功率損耗測量之前，應先同步電壓和電流信號，以消除傳導延遲，這一點很重要。這一過程被 稱作“偏移校正氣傳統(tǒng)的方法是先計算電壓和電流信號之間的時滯，然后再以手動方式通過示波器的偏移校正范圍調(diào)整時 滯，但這是一個非常冗長乏味的過程。一種較簡單的方法是采用一種偏移校正夾具和一部TDS5000系列示波器。進行偏移校正時，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上。偏移校正夾具由示波器的Auxil

6、iary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。TDSPWR2軟件的偏移校正能力，可自動設置示波器并計算傳導延遲。偏移校正功能隨后便可使用示波器的偏移校正范 圍，并對時滯進行自動補償。至此，測試設置現(xiàn)已準備就緒，可開始進行精確測量了。圖2和圖3所示為偏移校正之前和之 后的電流和電壓信號。圖2電壓和電流信號的傳導延遲圖3圖2所示信號在用TDSPWR2功率測量的分析軟件“自動偏移校正”后的情形計算非周期性開關信號上的功率損耗如果發(fā)射極或漏極有接地，測量動態(tài)的開關參數(shù)則較為簡單。但需在浮動電壓上測量差動電壓。若需精確地鑒定并測量 差動開關信號，最好使用差分探頭。我

7、們可通過霍爾效應電流探頭查看穿過開關器件的電流，而無須干擾電路本身。此時便 可用TDSPWR2的自動偏移校正功能，去除前面解釋的傳導延遲。TDSPWR2軟件的“開關損耗”功能可自動計算功率波形，并根據(jù)捕獲的數(shù)據(jù)測量開關器件的最小、最大和平均功率損 耗。在分析開關器件的功率耗散時，這些數(shù)據(jù)非常有用。這些數(shù)據(jù)將顯示為Turn on Loss（導通損耗）、Turn off Loss（關斷損 耗）和Power Loss（功率損耗）。在分析開關器件的功率耗散時，這些數(shù)據(jù)非常有用。如果知道了接通和斷開時的功率損耗，便 可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功率損耗。在負載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關頻

8、率以驅動輸出負載。注意，當負載轉換時，開關器件的功率損耗也隨 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非常冗長乏味的任務，而TDSPWR2的高級測 量能力，可自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，以此提供開關器件的有關信息。負載動態(tài)變化期間的功率損耗分折在實際運行環(huán)境中，電源有著持續(xù)的動態(tài)負載變化。所以測量中很重要的一步，是要捕獲整個負載變化事件，并對開關 損耗進行鑒定，以確保電源不因這些而過載。當今，大部分設計人員都采用具有深度內(nèi)存（2MB）和高取樣速率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的挑 戰(zhàn)，是如何分析各開關損耗點所生成的大量數(shù)據(jù)，因為它給

9、開關器件造成了很大的應力。TDSPWR2的HiPowerFinder功能可避免分析深度內(nèi)存數(shù)據(jù)所帶來的挑戰(zhàn)。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點， HiPowerFinder便可在深度內(nèi)存數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點。找到該點后，可用TDSPWR2在光標位置周圍放大，以詳細觀察其活動。 這一功能，加上前面提及的開關損耗測量功能，可使用戶迅速有效地分析開關器件的功率耗散情況。計算電磁元件的功率損耗另一種可減少功率損耗的方法與磁芯有關。從典型的AC/DC和DC/DC線路圖來看，電感器和變壓器是耗散功率的其 他組件，因此不僅會影響功率效率，而且可造成熱耗散。電感器的測試通常采用LCR, LCR使用一正弦波作為測試信號。在開

10、關式電源中，電感器將被加載上高壓、高電流開關信號，但都不是正弦信號。因此電源設計人員需監(jiān)視實際通電電源內(nèi)的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進行的測 試，不能反映實際情況。觀察磁芯特征的最有效方法是通過B-H曲線，因為B-H曲線能迅速揭示電源內(nèi)電感器的行為特征。以前，若需查看和 分析B-H特征，設計人員須先捕獲信號，然后在個人PC上進行進一步的分析?，F(xiàn)在，用戶可通過TDSPWR2直接在示波器 上進行B-H分析，即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時，TDSPWR2還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光 標鏈接。TDSPWR2的B-H分析能力還可在實際的SMPS環(huán)境中自動測量功率損耗。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗，可在 主磁芯或次磁芯上進行功率損耗測量。這些結果之差即是磁芯的功率損耗（磁芯損耗）。這些測