使用DPO示波器測(cè)量開關(guān)電源中的功耗
電源需求的變化推動(dòng)了開關(guān)電源系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)變化，能夠測(cè)量和分析下一代開關(guān)式電源(SMPS)的功耗至關(guān)重要。支持高得多的數(shù)據(jù)速度及千兆赫級(jí)處理器的新型電源，需要更大的電流和更低的電壓，在效率、功率密度、可靠性和成本方面給電源設(shè)計(jì)人員帶來了新的壓力。為滿足這些需求，設(shè)計(jì)人員正在采用新的結(jié)構(gòu)，其中包括同步整流器、有源功率系數(shù)校正和更高的開關(guān)頻率。這些技術(shù)也帶來了新的挑戰(zhàn)，如開關(guān)設(shè)備上的高功耗、溫度上升和EMI/EMC過高等影響。
了解這些影響的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是在開關(guān)過程中發(fā)生的功率損耗。在從“off”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“on”狀態(tài)的過程中，電源會(huì)發(fā)生更高的功率損耗。而開關(guān)設(shè)備處于“on”或“off”狀態(tài)時(shí)的功率損耗較低，因?yàn)榱鬟^設(shè)備的電流或加在設(shè)備上的電壓相當(dāng)小。
與開關(guān)設(shè)備有關(guān)的電感器和變壓器會(huì)平滑負(fù)荷電流隔離輸出電壓。這些電感器和變壓器還受到開關(guān)頻率的影響，會(huì)產(chǎn)生一定功耗，偶爾會(huì)由于飽和而發(fā)生故障。
由于開關(guān)電源中消耗的功率決定著電源的整體效率及熱量效應(yīng)，因此測(cè)量開關(guān)設(shè)備及電感器和變壓器上的功率損耗具有非常重要的意義，特別是在指明功率效率和溫度上升方面。因此，工程師需要測(cè)量和分析設(shè)備能夠在變化的負(fù)荷條件下迅速精確地測(cè)量和分析瞬時(shí)功率損耗。
需要精確測(cè)量和分析不同設(shè)備瞬時(shí)功率損耗的設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)如下：
●如何組建測(cè)試設(shè)備，精確測(cè)量功率損耗
●校正電壓探頭和電流探頭中的傳輸延遲引起的誤差
●計(jì)算非周期性的開關(guān)周期中的功率損耗
●在負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化時(shí)分析功率損耗
●計(jì)算電感器或變壓器的核心損耗
幸運(yùn)的是，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了完善的功率分析軟件，這種軟件在最新一代數(shù)字熒光示波器上運(yùn)行，與示波器用戶界面擁有共同的“感觀”，提供了直觀的導(dǎo)航能力和簡(jiǎn)便易用性。這種功率測(cè)量和分析應(yīng)用軟件可以幫助開關(guān)式電源設(shè)計(jì)人員在開關(guān)設(shè)備和磁性器件上精確執(zhí)行功率損耗分析，并執(zhí)行詳細(xì)的輸入/輸出分析。這些軟件的關(guān)鍵特點(diǎn)包括：“Hi-PowerFinder”輔助工具(下面更詳細(xì)地進(jìn)行了介紹)、完善的報(bào)告生成功能、波紋查看程序、能夠進(jìn)行磁性測(cè)量及迅速高效的偏移校正功能。
精確測(cè)量功率損耗的測(cè)試設(shè)置
圖1是開關(guān)式電源簡(jiǎn)化的電路圖。由40kHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的MOSFET控制著電流。圖1中的MOSFET沒有連接到AC市電接地或電路輸出接地上，因此使用示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的參考接地電壓測(cè)量是不可能的，因?yàn)榘烟筋^的地線連接到任何MOSFET端子上都會(huì)使通過示波器接地的該點(diǎn)短路。
進(jìn)行差分測(cè)量是測(cè)量MOSFET電壓波形的最佳途徑。通過差分測(cè)量，可以測(cè)量漏極到源極電壓(VDS)，其可能會(huì)位于幾十伏到幾百伏的電壓頂部，具體取決于電源范圍。
有幾種方法可以測(cè)量VDS：
1.浮動(dòng)示波器的機(jī)箱接地。不建議采用這種方法，因?yàn)槠浒踩苑浅２睿菀讓?duì)用戶造成人身傷害，損壞被測(cè)設(shè)備和示波器。
2.使用兩個(gè)傳統(tǒng)無源探頭，其地線相互連接，同時(shí)使用示波器的通道數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。這種測(cè)量稱為“準(zhǔn)差分”方法。但是，與示波器放大器結(jié)合使用的無源探頭缺乏足夠的共模抑制比(CMRR)來充分阻塞任何共模電壓。這種設(shè)置不能充分測(cè)量電壓，但可以使用現(xiàn)有探頭。
3.使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機(jī)箱接地。探頭的地線不再位于接地電位，探頭可以直接連接到測(cè)試點(diǎn)上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但成本較高，其成本是差分探頭的2~5倍。
4.在寬帶示波器上使用真正的差分探頭，精確測(cè)量VDS。
為測(cè)量經(jīng)過MOSFET的電流，用戶先夾上電流探頭，然后微調(diào)測(cè)量系統(tǒng)。許多差分探頭擁有內(nèi)置DC偏置微調(diào)器。通過關(guān)閉被測(cè)設(shè)備，全面“預(yù)熱”示波器和探頭，設(shè)置示波器測(cè)量電壓和電流波形的平均值，并采用實(shí)際測(cè)量中將使用的靈敏度設(shè)置。在不存在信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)微調(diào)器把每個(gè)波形的平均值清零到0V。這最大限度地降低了測(cè)量系統(tǒng)中的靜止電壓和電流導(dǎo)致的測(cè)量誤差。
校正電壓探頭和電流探頭傳輸延遲引起的錯(cuò)誤
在開關(guān)式電源中進(jìn)行任何功率損耗測(cè)量前，非常重要的一點(diǎn)是同步電壓信號(hào)和電流信號(hào)，消除傳輸延遲，這一過程稱為“偏移校正”。傳統(tǒng)方法要求計(jì)算電壓信號(hào)和電流信號(hào)之間的偏移，然后使用示波器的偏移校正范圍手動(dòng)調(diào)節(jié)偏移。但是，這種方法耗時(shí)非常長(zhǎng)。
但是，通過使用配備偏移校正夾具和功率測(cè)量軟件的高帶寬數(shù)字熒光示波器，可以大大簡(jiǎn)化這一過程。為校正偏移，差分電壓探頭和電流探頭可以連接到偏移校正夾具的測(cè)試點(diǎn)上。偏移校正夾具通過示波器的輔助輸出或校準(zhǔn)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)。在需要時(shí)，偏移校正夾具也可以通過外部來源驅(qū)動(dòng)。功率分析軟件的偏移校正功能將自動(dòng)設(shè)置示波器，計(jì)算探測(cè)導(dǎo)致的傳輸延遲。然后，偏移校正功能使用示波器的偏移校正范圍，針對(duì)偏移自動(dòng)進(jìn)行偏置。現(xiàn)在，測(cè)試設(shè)置準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行精確測(cè)量。圖2和圖3說明了偏移校正前和偏移校正后的電流信號(hào)和電壓信號(hào)。
計(jì)算非周期開關(guān)信號(hào)上的功率損耗
如果發(fā)射極或漏極接地，那么測(cè)量動(dòng)態(tài)開關(guān)參數(shù)非常簡(jiǎn)單。但是，在浮動(dòng)電壓下，必須測(cè)量差分電壓。為精確檢定和測(cè)量差分開關(guān)信號(hào)，要求一個(gè)差分探頭。霍爾效應(yīng)電流探頭允許在不中斷電路的情況下，查看流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的電流。可以使用功率分析軟件的自動(dòng)偏移校正功能，消除探頭引起的傳輸延遲。
對(duì)采集的數(shù)據(jù)測(cè)量開關(guān)設(shè)備的最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，軟件中的“開關(guān)損耗”功能將自動(dòng)計(jì)算功率波形。然后，這些數(shù)據(jù)表示為開通損耗、截止損耗和功率損耗，如圖4所示。這為分析設(shè)備上的功耗提供了有用的數(shù)據(jù)。知道開機(jī)和關(guān)機(jī)的功率損耗后，用戶可以調(diào)節(jié)電壓和電流轉(zhuǎn)換，降低功率損耗。
在負(fù)荷變化期間，開關(guān)電源的控制環(huán)路會(huì)改變開關(guān)頻率，驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)荷。圖5顯示了開關(guān)負(fù)荷時(shí)的功率波形。注意，在負(fù)荷變化時(shí)，開關(guān)設(shè)備上的功率損耗也會(huì)變化。得到的功率波形具有非周期特點(diǎn)。分析非周期功率波形可能是一件繁瑣的任務(wù)。但是，功率分析軟件的高級(jí)測(cè)量功能會(huì)自動(dòng)計(jì)算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，提供與開關(guān)設(shè)備有關(guān)的更多信息。
在負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化時(shí)分析功率損耗
在實(shí)際環(huán)境中，電源一直面臨著動(dòng)態(tài)負(fù)荷。圖5顯示了開關(guān)時(shí)發(fā)生的功率損耗在負(fù)荷變化期間也會(huì)變化。捕獲整個(gè)負(fù)荷變化事件、檢定開關(guān)損耗至關(guān)重要，以保證其不會(huì)達(dá)到設(shè)備極限。
今天，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員使用擁有深內(nèi)存(2Mbyte)和高取樣速率的示波器，以滿足要求的分辨率捕獲事件。但是，這種方法帶來了一個(gè)挑戰(zhàn)，需要從開關(guān)損耗點(diǎn)分析數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)。功率分析軟件的“HiPowerFinder”消除了分析深內(nèi)存數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，圖6是典型結(jié)果。圖7則更進(jìn)一步顯示了采集的數(shù)據(jù)中的開關(guān)事件數(shù)量及最大開關(guān)損耗和最小開關(guān)損耗。然后，通過輸入感興趣的某個(gè)范圍，可以查看希望的開關(guān)損耗點(diǎn)。用戶只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點(diǎn)，然后讓“HiPowerFinder”在深內(nèi)存數(shù)據(jù)中定位這個(gè)點(diǎn)。光標(biāo)將連接請(qǐng)求的區(qū)域。在定位點(diǎn)時(shí)，可以使用軟件，縮放光標(biāo)位置周圍的區(qū)域，更詳細(xì)地查看活動(dòng)情況。這與前面提到的開關(guān)損耗功能相結(jié)合，可以迅速高效地分析開關(guān)設(shè)備的功耗。
計(jì)算磁性器件的功率損耗
降低功耗的另一種方式來自磁芯領(lǐng)域。從典型的AC/DC和DC/DC電路圖中，電感器和變壓器也會(huì)消耗功率，從而會(huì)影響功率效率，導(dǎo)致溫度上升。
一般來說，會(huì)使用LCR儀表測(cè)試電感器，LCR儀表會(huì)生成正弦波測(cè)試信號(hào)。在開關(guān)式電源中，電感器會(huì)傳送高電壓、高電流開關(guān)信號(hào)，這些信號(hào)不是正弦曲線。結(jié)果，電源設(shè)計(jì)人員必需監(jiān)測(cè)實(shí)地電源中的電感器或變壓器行為。使用LCR儀表進(jìn)行測(cè)試可能并能不反映實(shí)際環(huán)境情況。
監(jiān)測(cè)磁芯行為的最有效方法是使用B-H曲線，它會(huì)迅速揭示電源中的電感器行為。功率分析軟件可以在示波器上快速執(zhí)行B-H分析，而不需昂貴的專用工具。
電感器和變壓器在電源開機(jī)過程中及在穩(wěn)定狀態(tài)下?lián)碛胁煌男袨椤Ｔ谶^去，為了查看和分析B-H特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須采集信號(hào)，在PC上進(jìn)一步進(jìn)行分析。通過示波器軟件，現(xiàn)在可以在示波器軟件上直接執(zhí)行B-H分析，瞬時(shí)查看電感器行為，如圖8所示。
這種磁性分析功能還在實(shí)際電源環(huán)境中自動(dòng)測(cè)量功率損耗和電感值。為推導(dǎo)出電感器或變壓器上的磁損耗，用戶只需測(cè)量原邊和副邊上的功率損耗。這些結(jié)果的差異在于磁芯上的功率損耗。此外，在無負(fù)荷條件下，主設(shè)備上的功率損耗是副邊上的總功率損耗，包括磁芯損耗。這些測(cè)量可以揭示與功耗領(lǐng)域有關(guān)的信息。
總結(jié)
本文中介紹了功率測(cè)量和分析軟件的主要特點(diǎn)，包括能夠測(cè)量開關(guān)設(shè)備上的功率損耗、“HiPowerFinder”功能和B-H分析，為在開關(guān)式電源上進(jìn)行快速測(cè)量提供了工具。在使用數(shù)字熒光示波器時(shí)，該軟件允許用戶迅速定位感興趣的功耗區(qū)域，在動(dòng)態(tài)情況下查看功耗的行為特點(diǎn)。
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