使用DPO示波器測量開關電源中的功耗
電源需求的變化推動了開關電源系統(tǒng)的體系結構變化，能夠測量和分析下一代開關式電源(SMPS)的功耗至關重要。支持高得多的數(shù)據(jù)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了新的壓力。為滿足這些需求，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(shù)校正和更高的開關頻率。這些技術也帶來了新的挑戰(zhàn)，如開關設備上的高功耗、溫度上升和EMI/EMC過高等影響。
了解這些影響的一個關鍵參數(shù)是在開關過程中發(fā)生的功率損耗。在從“off”狀態(tài)轉換到“on”狀態(tài)的過程中，電源會發(fā)生更高的功率損耗。而開關設備處于“on”或“off”狀態(tài)時的功率損耗較低，因為流過設備的電流或加在設備上的電壓相當小。
與開關設備有關的電感器和變壓器會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關頻率的影響，會產生一定功耗，偶爾會由于飽和而發(fā)生故障。
由于開關電源中消耗的功率決定著電源的整體效率及熱量效應，因此測量開關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功率損耗。
需要精確測量和分析不同設備瞬時功率損耗的設計人員面臨的挑戰(zhàn)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
●計算非周期性的開關周期中的功率損耗
●在負荷動態(tài)變化時分析功率損耗
●計算電感器或變壓器的核心損耗
幸運的是，市場上已經出現(xiàn)了完善的功率分析軟件，這種軟件在最新一代數(shù)字熒光示波器上運行，與示波器用戶界面擁有共同的“感觀”，提供了直觀的導航能力和簡便易用性。這種功率測量和分析應用軟件可以幫助開關式電源設計人員在開關設備和磁性器件上精確執(zhí)行功率損耗分析，并執(zhí)行詳細的輸入/輸出分析。這些軟件的關鍵特點包括：“Hi-PowerFinder”輔助工具(下面更詳細地進行了介紹)、完善的報告生成功能、波紋查看程序、能夠進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是開關式電源簡化的電路圖。由40kHz時鐘驅動的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，因此使用示波器進行簡單的參考接地電壓測量是不可能的，因為把探頭的地線連接到任何MOSFET端子上都會使通過示波器接地的該點短路。
進行差分測量是測量MOSFET電壓波形的最佳途徑。通過差分測量，可以測量漏極到源極電壓(VDS)，其可能會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VDS：
1.浮動示波器的機箱接地。不建議采用這種方法，因為其安全性非常差，容易對用戶造成人身傷害，損壞被測設備和示波器。
2.使用兩個傳統(tǒng)無源探頭，其地線相互連接，同時使用示波器的通道數(shù)學運算功能。這種測量稱為“準差分”方法。但是，與示波器放大器結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。這種設置不能充分測量電壓，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試點上。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VDS。
為測量經過MOSFET的電流，用戶先夾上電流探頭，然后微調測量系統(tǒng)。許多差分探頭擁有內置DC偏置微調器。通過關閉被測設備，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，并采用實際測量中將使用的靈敏度設置。在不存在信號時，調節(jié)微調器把每個波形的平均值清零到0V。這最大限度地降低了測量系統(tǒng)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
在開關式電源中進行任何功率損耗測量前，非常重要的一點是同步電壓信號和電流信號，消除傳輸延遲，這一過程稱為“偏移校正”。傳統(tǒng)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調節(jié)偏移。但是，這種方法耗時非常長。
但是，通過使用配備偏移校正夾具和功率測量軟件的高帶寬數(shù)字熒光示波器，可以大大簡化這一過程。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試點上。偏移校正夾具通過示波器的輔助輸出或校準輸出信號驅動。在需要時，偏移校正夾具也可以通過外部來源驅動。功率分析軟件的偏移校正功能將自動設置示波器，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，針對偏移自動進行偏置。現(xiàn)在，測試設置準備就緒，可以進行精確測量。圖2和圖3說明了偏移校正前和偏移校正后的電流信號和電壓信號。
計算非周期開關信號上的功率損耗
如果發(fā)射極或漏極接地，那么測量動態(tài)開關參數(shù)非常簡單。但是，在浮動電壓下，必須測量差分電壓。為精確檢定和測量差分開關信號，要求一個差分探頭。霍爾效應電流探頭允許在不中斷電路的情況下，查看流經開關設備的電流。可以使用功率分析軟件的自動偏移校正功能，消除探頭引起的傳輸延遲。
對采集的數(shù)據(jù)測量開關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“開關損耗”功能將自動計算功率波形。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。這為分析設備上的功耗提供了有用的數(shù)據(jù)。知道開機和關機的功率損耗后，用戶可以調節(jié)電壓和電流轉換，降低功率損耗。
在負荷變化期間，開關電源的控制環(huán)路會改變開關頻率，驅動輸出負荷。圖5顯示了開關負荷時的功率波形。注意，在負荷變化時，開關設備上的功率損耗也會變化。得到的功率波形具有非周期特點。分析非周期功率波形可能是一件繁瑣的任務。但是，功率分析軟件的高級測量功能會自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，提供與開關設備有關的更多信息。
在負荷動態(tài)變化時分析功率損耗
在實際環(huán)境中，電源一直面臨著動態(tài)負荷。圖5顯示了開關時發(fā)生的功率損耗在負荷變化期間也會變化。捕獲整個負荷變化事件、檢定開關損耗至關重要，以保證其不會達到設備極限。
今天，大多數(shù)設計人員使用擁有深內存(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挑戰(zhàn)，需要從開關損耗點分析數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)。功率分析軟件的“HiPowerFinder”消除了分析深內存數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，圖6是典型結果。圖7則更進一步顯示了采集的數(shù)據(jù)中的開關事件數(shù)量及最大開關損耗和最小開關損耗。然后，通過輸入感興趣的某個范圍，可以查看希望的開關損耗點。用戶只需在范圍內選擇感興趣的點，然后讓“HiPowerFinder”在深內存數(shù)據(jù)中定位這個點。光標將連接請求的區(qū)域。在定位點時，可以使用軟件，縮放光標位置周圍的區(qū)域，更詳細地查看活動情況。這與前面提到的開關損耗功能相結合，可以迅速高效地分析開關設備的功耗。
計算磁性器件的功率損耗
降低功耗的另一種方式來自磁芯領域。從典型的AC/DC和DC/DC電路圖中，電感器和變壓器也會消耗功率，從而會影響功率效率，導致溫度上升。
一般來說，會使用LCR儀表測試電感器，LCR儀表會生成正弦波測試信號。在開關式電源中，電感器會傳送高電壓、高電流開關信號，這些信號不是正弦曲線。結果，電源設計人員必需監(jiān)測實地電源中的電感器或變壓器行為。使用LCR儀表進行測試可能并能不反映實際環(huán)境情況。
監(jiān)測磁芯行為的最有效方法是使用B-H曲線，它會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，設計人員必須采集信號，在PC上進一步進行分析。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，瞬時查看電感器行為，如圖8所示。
這種磁性分析功能還在實際電源環(huán)境中自動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域有關的信息。
總結
本文中介紹了功率測量和分析軟件的主要特點，包括能夠測量開關設備上的功率損耗、“HiPowerFinder”功能和B-H分析，為在開關式電源上進行快速測量提供了工具。在使用數(shù)字熒光示波器時，該軟件允許用戶迅速定位感興趣的功耗區(qū)域，在動態(tài)情況下查看功耗的行為特點。
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