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使用數(shù)字示波器測試開關(guān)電源
2012-08-15
電源設(shè)計(jì)問題及其測量需求
理想情況下，每部電源都應(yīng)該像為它設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型那樣地工作。但在現(xiàn)實(shí)世界中，元器件是有缺陷的，負(fù)載會(huì)變化，供電電源可能失真，環(huán)境變化會(huì)改變性能。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。考慮這些問題：
電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續(xù)多長時(shí)間？電源散發(fā)多少熱量？過熱時(shí)會(huì)怎樣？它需要多少冷卻氣流？負(fù)載電流大幅增加時(shí)會(huì)怎樣？設(shè)備能保持額定輸出電壓嗎？電源如何應(yīng)對(duì)輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時(shí)會(huì)怎樣？
設(shè)計(jì)人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴(yán)格的EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)的電源。只有一套嚴(yán)格的測量體系才能讓工程師達(dá)到這些目標(biāo)。
示波器和電源測量
對(duì)那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因?yàn)槠漕l率相對(duì)較低。實(shí)際上，電源測量中也有很多高速電路設(shè)計(jì)師從來不必面對(duì)的挑戰(zhàn)。
整個(gè)開關(guān)設(shè)備的電壓可能很高，而且是“浮動(dòng)的”，也就是說，不接地。信號(hào)的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會(huì)變化。必須如實(shí)捕獲并分析波形，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對(duì)示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時(shí)需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲(chǔ)器，以提供長時(shí)間低頻采集結(jié)果的記錄空間。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號(hào)。
開關(guān)電源基礎(chǔ)
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結(jié)構(gòu)是開關(guān)電源(SMPS)，它因?yàn)槟軌蛴行У貞?yīng)對(duì)變化負(fù)載而眾所周知。典型SMPS的電能信號(hào)路徑包括無源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件(如電阻和線性晶體管)，而主要使用(理想情況下)無損耗的元器件：開關(guān)晶體管、電容和磁性元件。
SMPS設(shè)備還有一個(gè)控制部分，其中包括脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器脈頻調(diào)制調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路1等組成部分。控制部分可能有自己的電源。圖1是簡化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。
SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。這些器件開關(guān)時(shí)間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開通還是斷開狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對(duì)開關(guān)器件的主要測量包括：開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)及其他。
準(zhǔn)備進(jìn)行電源測量
準(zhǔn)備進(jìn)行開關(guān)電源的測量時(shí)，一定要選擇合適的工具，并且設(shè)置這些工具，使它們能夠準(zhǔn)確、可重復(fù)地工作。當(dāng)然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應(yīng)SMPS的開關(guān)頻率。電源測量最少需要兩個(gè)通道，一個(gè)用于電壓，一個(gè)用于電流。有些設(shè)施同樣重要，它們可以使電源測量更容易、更可靠。下面是一部分要考慮的事項(xiàng)：
儀器能在同一次采集中處理開關(guān)器件的開通和斷開電壓嗎？這些信號(hào)的比例可能達(dá)到100,000:1。
有可靠、準(zhǔn)確的電壓探頭和電流探頭嗎？有可以校正它們的不同延遲的有效方法嗎？
有沒有有效的方法來將探頭的靜態(tài)噪聲降至最低？
儀器能夠配備足夠的記錄長度，以很高的采樣速率捕獲較長的完整工頻波形嗎？
這些特征是進(jìn)行有意義且有效的電源設(shè)計(jì)測量的基礎(chǔ)。
測量一次采集中的100伏和100毫伏電壓
要測量開關(guān)器件的開關(guān)損耗和平均功率損耗，示波器首先必須分別確定在斷開和開通時(shí)開關(guān)器件上的電壓。
在AC/DC變流器中，開關(guān)器件上的電壓動(dòng)態(tài)范圍非常大。開通狀態(tài)下開關(guān)器件上通過的電壓取決于開關(guān)器件的類型。在圖2所示的MOSFET管中，開通電壓為導(dǎo)通電阻和電流的乘積。在雙極結(jié)型晶體管(BJT)和IGBT器件中，該電壓主要取決于飽和導(dǎo)通壓(VCEsat)。斷開狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開關(guān)變換器的拓?fù)洹橛?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)的典型直流電源使用80Vrms到264Vrms之間的通用市電電壓。
在最高輸入電壓下開關(guān)器件上的斷開狀態(tài)電壓(TP1和TP2之間)可能高達(dá)750V。在開通狀態(tài)，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1伏之間。圖3顯示了開關(guān)器件的典型信號(hào)特性。
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