使用DPO示波器測量開(kāi)關(guān)電源中的功耗

電源需求的變化推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源系統的體系結構變化，能夠測量和分析下一代開(kāi)關(guān)式電源 (SMPS)的功耗至關(guān)重要。支持高得多的數據速度及千兆赫級處理器的新型電源，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計人員帶來(lái)了新的壓力。為滿(mǎn)足這些需求，設計人員正在采用新的結構，其中包括同步整流器、有源功率系數校正和更高的開(kāi)關(guān)頻率。這些技術(shù)也帶來(lái)了新的挑戰，如開(kāi)關(guān)設備上的高功耗、溫度上升和EMI/EMC過(guò)高等影響。

　　了解這些影響的一個(gè)關(guān)鍵參數是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中發(fā)生的功率損耗。在從“off”狀態(tài)轉換到“on”狀態(tài)的過(guò)程中，電源會(huì )發(fā)生更高的功率損耗。而開(kāi)關(guān)設備處于“on”或“off”狀態(tài)時(shí)的功率損耗較低，因為流過(guò)設備的電流或加在設備上的電壓相當小。

　　與開(kāi)關(guān)設備有關(guān)的電感器和變壓器會(huì )平滑負荷電流隔離輸出電壓。這些電感器和變壓器還受到開(kāi)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(kāi)關(guān)電源中消耗的功率決定著(zhù)電源的整體效率及熱量效應，因此測量開(kāi)關(guān)設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，工程師需要測量和分析設備能夠在變化的負荷條件下迅速精確地測量和分析瞬時(shí)功率損耗。

　　需要精確測量和分析不同設備瞬時(shí)功率損耗的設計人員面臨的挑戰如下：
　　● 如何組建測試設備，精確測量功率損耗
　　● 校正電壓探頭和電流探頭中的傳輸延遲引起的誤差
　　● 計算非周期性的開(kāi)關(guān)周期中的功率損耗
　　● 在負荷動(dòng)態(tài)變化時(shí)分析功率損耗
　　● 計算電感器或變壓器的核心損耗

　　幸運的是，市場(chǎng)上已經(jīng)出現了完善的功率分析軟件，這種軟件在最新一代數字熒光示波器上運行，與示波器用戶(hù)界面擁有共同的“感觀(guān)”，提供了直觀(guān)的導航能力和簡(jiǎn)便易用性。這種功率測量和分析應用軟件可以幫助開(kāi)關(guān)式電源設計人員在開(kāi)關(guān)設備和磁性器件上精確執行功率損耗分析，并執行詳細的輸入/輸出分析。這些軟件的關(guān)鍵特點(diǎn)包括：“HiFinder”輔助工具 (下面更詳細地進(jìn)行了介紹)、完善的報告生成功能、波紋查看程序、能夠進(jìn)行磁性測量及迅速高效的偏移校正功能。

　　精確測量功率損耗的測試設置

　　圖1是開(kāi)關(guān)式電源簡(jiǎn)化的電路圖。由40 kHz 時(shí)鐘驅動(dòng)的MOSFET控制著(zhù)電流。圖1中的MOSFET沒(méi)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量是不可能的，因為把探頭的地線(xiàn)連接到任何MOSFET端子上都會(huì )使通過(guò)示波器接地的該點(diǎn)短路。

　　進(jìn)行差分測量是測量MOSFET電壓波形的最佳途徑。通過(guò)差分測量，可以測量漏極到源極電壓 (V_DS)，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。

　　有幾種方法可以測量V_DS：
　　1. 浮動(dòng)示波器的機箱接地。不建議采用這種方法，因為其安全性非常差，容易對用戶(hù)造成人身傷害，損壞被測設備和示波器。
　　2. 使用兩個(gè)傳統無(wú)源探頭，其地線(xiàn)相互連接，同時(shí)使用示波器的通道數學(xué)運算功能。這種測量稱(chēng)為“準差分”方法。但是，與示波器放大器結合使用的無(wú)源探頭缺乏足夠的共模抑制比(CMRR)來(lái)充分阻塞任何共模電壓。這種設置不能充分測量電壓，但可以使用現有探頭。
　　3. 使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機箱接地。探頭的地線(xiàn)不再位于接地電位，探頭可以直接連接到測試點(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，精確測量V_DS。

　　為測量經(jīng)過(guò)MOSFET的電流，用戶(hù)先夾上電流探頭，然后微調測量系統。許多差分探頭擁有內置DC偏置微調器。通過(guò)關(guān)閉被測設備，全面“預熱”示波器和探頭，設置示波器測量電壓和電流波形的平均值，并采用實(shí)際測量中將使用的靈敏度設置。在不存在信號時(shí)，調節微調器把每個(gè)波形的平均值清零到0V。這最大限度地降低了測量系統中的靜止電壓和電流導致的測量誤差。

　　校正電壓探頭和電流探頭傳輸延遲引起的錯誤

　　在開(kāi)關(guān)式電源中進(jìn)行任何功率損耗測量前，非常重要的一點(diǎn)是同步電壓信號和電流信號，消除傳輸延遲，這一過(guò)程稱(chēng)為“偏移校正”。傳統方法要求計算電壓信號和電流信號之間的偏移，然后使用示波器的偏移校正范圍手動(dòng)調節偏移。但是，這種方法耗時(shí)非常長(cháng)。

　　但是，通過(guò)使用配備偏移校正夾具和功率測量軟件的高帶寬數字熒光示波器，可以大大簡(jiǎn)化這一過(guò)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試點(diǎn)上。偏移校正夾具通過(guò)示波器的輔助輸出或校準輸出信號驅動(dòng)。在需要時(shí)，偏移校正夾具也可以通過(guò)外部來(lái)源驅動(dòng)。功率分析軟件的偏移校正功能將自動(dòng)設置示波器，計算探測導致的傳輸延遲。然后，偏移校正功能使用示波器的偏移校正范圍，針對偏移自動(dòng)進(jìn)行偏置�，F在，測試設置準備就緒，可以進(jìn)行精確測量。圖2和圖3說(shuō)明了偏移校正前和偏移校正后的電流信號和電壓信號。

　　計算非周期開(kāi)關(guān)信號上的功率損耗

　　如果發(fā)射極或漏極接地，那么測量動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)參數非常簡(jiǎn)單。但是，在浮動(dòng)電壓下，必須測量差分電壓。為精確檢定和測量差分開(kāi)關(guān)信號，要求一個(gè)差分探頭�；魻栃�應電流探頭允許在不中斷電路的情況下，查看流經(jīng)開(kāi)關(guān)設備的電流�？梢允褂霉β史治鲕浖�的自動(dòng)偏移校正功能，消除探頭引起的傳輸延遲。

　　對采集的數據測量開(kāi)關(guān)設備的最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，軟件中的“開(kāi)關(guān)損耗”功能將自動(dòng)計算功率波形。然后，這些數據表示為開(kāi)通損耗、截止損耗和功率損耗，如圖4所示。這為分析設備上的功耗提供了有用的數據。知道開(kāi)機和關(guān)機的功率損耗后，用戶(hù)可以調節電壓和電流轉換，降低功率損耗。

　　在負荷變化期間開(kāi)關(guān)電源的控制環(huán)路會(huì )改變開(kāi)關(guān)頻率，驅動(dòng)輸出負荷。圖5顯示了開(kāi)關(guān)負荷時(shí)的功率波形。注意，在負荷變化

時(shí)，開(kāi)關(guān)設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測量功能會(huì )自動(dòng)計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，提供與開(kāi)關(guān)設備有關(guān)的更多信息。

　　在負荷動(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(zhù)動(dòng)態(tài)負荷。圖5顯示了開(kāi)關(guān)時(shí)發(fā)生的功率損耗在負荷變化期間也會(huì )變化。捕獲整個(gè)負荷變化事件、檢定開(kāi)關(guān)損耗至關(guān)重要，以保證其不會(huì )達到設備極限。

　　今天，大多數設計人員使用擁有深內存(2 Mbyte)和高取樣速率的示波器，以滿(mǎn)足要求的分辨率捕獲事件。但是，這種方法帶來(lái)了一個(gè)挑戰，需要從開(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)分析數量龐大的數據。功率分析軟件的“HiPower Finder”消除了分析深內存數據的挑戰，圖6是典型結果。圖7則更進(jìn)一步顯示了采集的數據中的開(kāi)關(guān)事件數量及最大開(kāi)關(guān)損耗和最小開(kāi)關(guān)損耗。然后，通過(guò)輸入感興趣的某個(gè)范圍，可以查看希望的開(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)。用戶(hù)只需在范圍內選擇感興趣的點(diǎn)，然后讓“HiPower Finder”在深內存數據中定位這個(gè)點(diǎn)。光標將連接請求的區域。在定位點(diǎn)時(shí)，可以使用軟件，縮放光標位置周?chē)�的區域，更詳細地查看活動(dòng)情況。這與前面提到的開(kāi)關(guān)損耗功能相結合，可以迅速高效地分析開(kāi)關(guān)設備的功耗。

　　計算磁性器件的功率損耗

　　降低功耗的另一種方式來(lái)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，導致溫度上升。

　　一般來(lái)說(shuō)，會(huì )使用LCR儀表測試電感器，LCR儀表會(huì )生成正弦波測試信號。在開(kāi)關(guān)式電源中，電感器會(huì )傳送高電壓、高電流開(kāi)關(guān)信號，這些信號不是正弦曲線(xiàn)。結果，電源設計人員必需監測實(shí)地電源中的電感器或變壓器行為。使用LCR儀表進(jìn)行測試可能并能不反映實(shí)際環(huán)境情況。

　　監測磁芯行為的最有效方法是使用B-H曲線(xiàn)，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行B-H分析，而不需昂貴的專(zhuān)用工具。

　　電感器和變壓器在電源開(kāi)機過(guò)程中及在穩定狀態(tài)下?lián)碛胁煌�的行為。在過(guò)去，為了查看和分析B-H特點(diǎn)，設計人員必須采集信號，在PC上進(jìn)一步進(jìn)行分析。通過(guò)示波器軟件，現在可以在示波器軟件上直接執行B-H分析，瞬時(shí)查看電感器行為，如圖8所示。

示波器軟件上直接執行B-H分析，瞬時(shí)查看電感器行為

　　這種磁性分析功能還在實(shí)際電源環(huán)境中自動(dòng)測量功率損耗和電感值。為推導出電感器或變壓器上的磁損耗，用戶(hù)只需測量原邊和副邊上的功率損耗。這些結果的差異在于磁芯上的功率損耗。此外，在無(wú)負荷條件下，主設備上的功率損耗是副邊上的總功率損耗，包括磁芯損耗。這些測量可以揭示與功耗領(lǐng)域有關(guān)的信息。

　　總結

　　本文中介紹了功率測量和分析軟件的主要特點(diǎn)，包括能夠測量開(kāi)關(guān)設備上的功率損耗、“HiPower Finder”功能和B-H分析，為在開(kāi)關(guān)式電源上進(jìn)行快速測量提供了工具。在使用數字熒光示波器時(shí)，該軟件允許用戶(hù)迅速定位感興趣的功耗區域，在動(dòng)態(tài)情況下查看功耗的行為特點(diǎn)。