电源测量与分析入门手册

电源测量与分析入门手册2电源测量与分析入门手册目录简介--------------------------------------------------------3电源设计中的问题以及测量要求----------------------3示波器与电源测量--------------------------------------3开关电源基础--------------------------------------------4准备进行电源测量--------------------------------------4–8在一次采集中同时测量100伏和100毫伏电压5消除电压探头和电流探头之间的时间偏差6消除探头零偏和噪声7电源测量中记录长度的作用8识别真正的Ton与Toff转换8有源器件测量：开关元件------------------------------------8–12开关器件的功率损耗理论8截止损耗9开通损耗10详细了解SMPS的功率损耗10安全工作区11动态导通电阻12di/dt12dv/dt12无源器件测量：磁性元件--------------------------------12–17电感基础13用示波器进行电感测量13磁性元件功率损耗基础13用示波器进行磁性元件功率损耗测量14磁特性基础15用示波器测量磁性元件特性17输入交流供电测量------------------------------------------17电源质量测量基础------------------------------------------18SMPS的电源质量测量18用示波器测量电源质量----------------------------------18–19使用正确的工具18用示波器进行电源质量测量19结论----------------------------------------------------------19简介电源是将电能从一种形式转换成另一种形式的部件、子系统或系统，通常是从交流(AC)市电电源转换成直流(DC)电。从个人电脑到军事装备和工业机器，电子设备的正常工作都离不开直流电源的性能和可靠性。从传统的模拟型电源到高效的开关电源，电源的种类和大小千差万别。它们都要面对复杂、动态的工作环境。设备负载和需求可能在瞬间发生很大变化。即使是“日用的”开关电源，也要能够承受远远超过其平均工作电平的瞬间峰值。设计电源或系统中要使用电源的工程师需要了解在静态条件以及最差条件下电源的工作情况。过去，要描述电源的行为特征，就意味着要使用数字万用表测量静态电流和电压，并用计算器或PC进行艰苦的计算。今天，大多数工程师转而将示波器作为他们的首选电源测量平台。现代示波器可以配备集成的电源测量和分析软件，简化了设置，并使得动态测量更为容易。用户可以定制关键参数、自动计算，并能在数秒钟内看到结果，而不只是原始数据。本入门手册将主要介绍如何使用示波器和专用软件进行开关电源设计测量。电源设计问题及其测量需求理想情况下，每部电源都应该像为它设计的数学模型那样地工作。但在现实世界中，元器件是有缺陷的，负载会变化，供电电源可能失真，环境变化会改变性能。而且，不断变化的性能和成本要求也使电源设计更加复杂。考虑这些问题：电源在额定功率之外能维持多少瓦的功率？能持续多长时间？电源散发多少热量？过热时会怎样？它需要多少冷却气流？负载电流大幅增加时会怎样？设备能保持额定输出电压吗？电源如何应对输出端的完全短路？电源的输入电压变化时会怎样？人们要求设计师设计出的电源占用更少的空间，减少散热，降低制造成本，并满足日益苛刻的EMI/EMC标准。只有一套严格的测量体系才能让工程师达到这些目标。示波器和电源测量对那些习惯于用示波器进行高带宽测量的人来说，电源测量可能很简单，因为其频率相对较低。实际上，电源测量中也有很多高速电路设计师从来不必面对的挑战。整个开关设备的电压可能很高，而且是“浮动的”，也就是说，不接地。信号的脉冲宽度、周期、频率和占空比都会变化。必须如实捕获并分析波形，发现波形的异常。电源测量与分析入门手册3电源测量与分析入门手册4对示波器的要求是苛刻的。多种探头-同时需要单端探头、差分探头以及电流探头。仪器必须有较大的存储器，以提供长时间低频采集结果的记录空间。并且可能要求在一次采集中捕获幅度相差很大的不同信号。开关电源基础大多数现代系统中主流的直流电源体系结构是开关电源(SMPS)，它因为能够有效地应对变化负载而众所周知。典型SMPS的电能“信号通路”包括无源器件、有源器件和磁性元件。SMPS尽可能少地使用损耗性元器件（如电阻和线性晶体管），而主要使用（理想情况下）无损耗的元器件：开关晶体管、电容和磁性元件。SMPS设备还有一个控制部分，其中包括脉宽调制调节器、脉频调制调节器以及反馈环路1等组成部分。控制部分可能有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，图中显示了电能转换部分，包括有源器件、无源器件以及磁性元件。SMPS技术使用了金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)与绝缘栅双极晶体管(IGBT)等功率半导体开关器件。这些器件开关时间短，能承受不稳定的电压尖峰。同样重要的是，它们不论在开通还是断开状态，消耗的能量都极少，效率高而发热低。开关器件在很大程度上决定了SMPS的总体性能。对开关器件的主要测量包括：开关损耗、平均功率损耗、安全工作区及其他。准备进行电源测量准备进行开关电源的测量时，一定要选择合适的工具，并且设置这些工具，使它们能够准确、可重复地工作。示波器当然必须具备基本的带宽和采样速率，以适应SMPS的开关频率。电源测量最少需要两个通道，一个用于电压，一个用于电流。有些设施同样重要，它们可以使电源测量更容易、更可靠。下面是一部分要考虑的事项：仪器能在同一次采集中处理开关器件的开通和断开电压吗？这些信号的比例可能达到100000:1。图1.开关电源简化示意图。图2.MOSFET开关器件，显示了测量点。1本入门手册介绍与电能通路有关的测量，包括对影响输出的内部元件的测量。控制部分测量是更传统的基于波形和逻辑的观测，本文档将不讨论这些内容。电源测量与分析入门手册5有可靠、准确的电压探头和电流探头吗？有可以校正它们的不同延迟的有效方法吗？有没有有效的方法来将探头的静态噪声降至最低？仪器能够配备足够的记录长度，以很高的采样速率捕获较长的完整工频波形吗？这些特征是进行有意义且有效的电源设计测量的基础。测量一次采集中的100伏和100毫伏电压要测量开关器件的开关损耗和平均功率损耗，示波器首先必须分别确定在断开和开通时开关器件上的电压。在AC/DC变流器中，开关器件上的电压动态范围非常大。开通状态下开关器件上通过的电压取决于开关器件的类型。在图2所示的MOSFET管中，开通电压为导通电阻和电流的乘积。在双极结型晶体管(BJT)和IGBT器件中，该电压主要取决于饱和导通压(VCEsat)。断开状态的电压取决于工作输入电压和开关变换器的拓扑。为计算设备设计的典型直流电源使用80Vrms到264Vrms之间的通用市电电压。在最高输入电压下开关器件上的断开状态电压（TP1和TP2之间）可能高达750V。在开通状态，相同端子间的电压可能在几毫伏到大约1伏之间。图3显示了开关器件的典型信号特性。为了准确地进行开关器件电源测量，必须先测量断开和开通电压。然而，典型的8位数字示波器的动态范围不足以在同一个采集周期中既准确采集开通期间的毫伏级信号，又准确采集断开期间出现的高电压。要捕获该信号，示波器的垂直范围应设为每分度100伏。在此设置下，示波器可以接受高达1000V的电压，这样就可以采集700V的信号而不会使示波器过载。使用该设置的问题在于最大灵敏度（能解析的最小信号幅度）变成了1000/256，即约为4V。TektronixDPO通过一个TDSPWR3应用程序功能解决了该问题，用户可以将器件数据表中的RDSON或VCEsat值输入测量菜单（如图4）。或者，如果测得电压在示波器的灵敏度范围内，那么TDSPWR3就可以使用实际采集的数据，而不是手工输入的值进行计算。图3.SMPS开关器件上的典型电压值。图4.用户可以通过TDSPWR3输入页面输入数据表中的RDSON和VCEsat值。6电源测量与分析入门手册消除电压探头和电流探头之间的时间偏差要使用数字示波器进行电源测量，就必须测量MOSFET开关器件（如图2所示）漏极、源极间的电压和电流，或IGBT集电极、发射极间的电压。该任务需要两个不同的探头：一支高压差分探头和一支电流探头。后者通常是非插入式霍尔效应型探头。这两种探头各有其独特的传输延迟。这两个延迟的差（称为时间偏差），会造成幅度测量以及与时间有关的测量不准确。一定要了解探头传输延迟对最大峰值功率和面积测量的影响。毕竟，功率是电压和电流的积。如果两个相乘的变量没有很好地校正，结果就会是错误的。探头没有正确进行“时间偏差校正”时，开关损耗之类测量的准确性就会受影响。图5所示的测试设置比较了探头端部的信号（下部迹线显示）和传输延迟后示波器前端面板处的信号（上部显示）。图6到9是实际示波器屏幕图，显示了探头时间偏差的影响。与DUT的连接是通过一支TektronixP52051.3kV差分探头和一支TCP303150AAC/DC电流探头。“电压”和“电流”信号由校准夹具提供。图6.电压和电流信号之间的时间偏差。图7.有时间偏差时峰值幅度和面积测量显示为6.059瓦。图5.传输延迟效应对电源测量的影响。6.059瓦电源测量与分析入门手册7图6显示电压探头和电流探头间的时间偏差，而图7显示了没有事先校正两支探头时间偏差的情况下的一次测量结果（6.059瓦）。图8显示校正探头时间偏差的结果。两条参考迹线重合，说明延迟已经相同。图9中的测量结果说明了正确校正时间偏差的重要性。该例子证明，时间偏差造成了几乎6%的测量误差。准确校正时间偏差可以减小峰-峰功率损耗测量的误差。TDSPWR3电源测量软件可以自动校正所选探头组合的时间偏差。该软件控制示波器，并通过实时电流和电压信号调整电压通道和电流通道之间的延迟，以去除电压探头和电流探头之间传输延迟的差别。还可以使用一种静态校正时间偏差的功能，但前提是特定的电压探头和电流探头有恒定、可重复的传输延迟。静态校正时间偏差的功能根据一张内置的传输时间表，自动为选定探头（如本文档中讨论的Tektronix探头）调整选定电压和电流通道之间的延迟。该技术提供了一种快速而方便的方法，可以将时间偏差降至最小。消除探头零偏和噪声差分探头一般都有微小的电压零偏。这可能影响准确性，必须在进行测量前将其消除。大多数差分电压探头都有内置的直流零偏修整控制，这使消除零偏成为一件相对简单的步骤：准备工作完成之后，接下来：将示波器设置为测量电压波形的平均值选择将在实际测量中使用的灵敏度（垂直）设置不加信号，将修整器调为零，并使平均电平为0V（或尽量接近0V）。相似地，在测量前必须调节电流探头。在消除零偏之后：将示波器灵敏度设置为实际测量中将要使用的值关闭没有信号的电流探头将直流平衡调为零将平均值调节到0安培（或尽量接近该值）图8.校正时间偏差后的电压和电流信号。图9.校正时间偏差后的峰值幅度和面积测量。将此结果与图7中的结果进行比较。8电源测量与分析入门手册注意，这些探头都是有源设备，即使在静态，也总会有一些低电平噪声。这种噪声可能影响那些同时依赖电压和电流波形数据的测量。TDSPWR3软件包包含一项信号调节功能（图10），可以将固有探头噪声的影响降至最低。记录长度在电源测量中的作用示波器在一段时间内捕获事件的能力取