用數字熒光示波器對功率損耗進行高精度分析

分類：解決方案日期：2009-06-08 11:02:36 來源：

　　隨著許多行業對開關電源需求的不斷增長，測量和分析下一代開關電源的功率損耗就顯得至關重要，本文介紹了如何利用TDS500O系列數字熒光示波器，加上TDSPWR2功率測量軟件進行功率損耗分析

　　新型的開關電源(SMPS，SwitchModePowerSupply)需要給具有數據傳輸速度高和GHz級處理器提供較低的電壓合很高的電流，這給電源設計人員在電源效率、功率密度、可靠性和成本幾方面增加了無形的新壓力。為了在設計中考慮到這些需求，設計人員采用了同步整流技術、有源功率因數校正和提高開關頻率等新結構。這些技術也隨之帶來了某些更高的挑戰，如:開關器件上較高的功率損耗和過度的EMI/EMC。

　　由于開關式電源耗散的功率決定了電源的效率及其熱效應，所以測定開關器件和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作。設計人員在精確測量和分析各種設備的瞬時功率損耗時，所面臨的挑戰有下列幾個方面:精確測量功率損耗所需的測試裝置；校正電壓和電流探頭傳導延遲所造成的誤差；計算非周期性開關變化的功率損耗圖；分析負載動態變化期間的功率損耗；計算電感器或變壓器的磁芯損耗。

　　精確測量功率損耗所需的測試裝置

　　圖1所示為開關變換的簡化電路。圖1中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地連接，即與地隔離，因此無法用示波器進行簡單的接地參考電壓測量，因為若把探頭的接地導線連接在MOSFET的任何端子上，都會使該點通過示波器與接地短路。

圖1 開關內的電路示意圖

　　在這種情況下，差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。差分測量可測定漏極-源極電壓(VDS)，即MOSFET的漏極端子和源極端子上的電壓。VDS可在電壓之上浮動，電壓范圍可為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍。這里可通過以下幾種方法測量VDS:

　　*懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用，因為這樣極不安全，對用戶、被測設備和示波器都有危險。
　　*使用兩個常規的單端無源探頭將其接地導線連接在一起，然后用示波器的通道計算功能迸行測量。這種測量法叫做準差分測量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結合使用，但缺少可適當阻止任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)功能，這種設置不能準確測量電壓，但可使用已有的探頭。

　　*使用市場上可以買到的探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭的接地導線將不再為接地電位，并可將探頭與一個測試點直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但較為昂貫，其成本是差分探頭的2～5倍。
　　*在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。可通過差分探頭精確地測量VDS，這是最好的方法。

　　通過MOSFET進行電流測量時，先將電流探頭夾好，然后微調測量系統。許多差分探頭都裝有內置的直流偏移微調電容器。關閉被測設備待示波器和探頭完全預熱后，便可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。應使用實際測量所用的數值設置敏感度。在沒有信號的情況下，調整微調電容器，將每一波形的零位平均值調至0V，這一步驟可最大限度地減少因測量系統內的靜態電壓和電流而導致的測量誤差。

　　校正因電壓和電流探頭傳導延遲而造成的誤差

　　在開關式電源內進行任何功率損耗測量之前，應先同步電壓和電流信號，以消除傳導延遲，這一點很重要。這一過程被稱作“偏移校正”。傳統的方法是先計算電壓和電流信號之間的時滯，然后再以手動方式通過示波器的偏移校正范圍調整時滯，但這是一個非常冗長乏味的過程。

　　一種較簡單的方法是采用一種偏移校正夾具和一部TDS5000系列示波器。進行偏移校正時，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測試點上。偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號激勵。如果需要，還可用外部信號源激勵偏移校正夾具。

　　TDSPWR2軟件的偏移校正能力，可自動設置示波器并計算傳導延遲。偏移校正功能隨后便可使用示波器的偏移校正范圍,并對時滯進行自動補償。至此，測試設置現已準備就緒，可開始進行精確測量了。圖2和圖3所示為偏移校正之前和之后的電流和電壓信號。

圖2 電壓和電流信號的傳導延遲

圖3 圖2 所示信號在用TDSPWR2功率測量的分析軟件“自動偏移校正”后的情形

　　計算非周期性開關信號上的功率損耗

　　如果發射極或漏極有接地，測量動態的開關參數則較為簡單。但需在浮動電壓上測量差動電壓。若需精確地鑒定并測量差動開關信號，最好使用差分探頭。我們可通過霍爾效應電流探頭查看穿過開關器件的電流，而無須干擾電路本身。此時便可用TDSPWR2的自動偏移校正功能，去除前面解釋的傳導延遲。
　　TDSPWR2軟件的“開關損耗”功能可自動計算功率波形，并根據捕獲的數據測量開關器件的最小、最大和平均功率損耗。在分析開關器件的功率耗散時，這些數據非常有用。這些數據將顯示為Turn on Loss(導通損耗)、Turn off Loss(關斷損耗)和Power Loss(功率損耗)。在分析開關器件的功率耗散時，這些數據非常有用。如果知道了接通和斷開時的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功率損耗。

　　在負載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關頻率以驅動輸出負載。注意，當負載轉換時，開關器件的功率損耗也隨之變化。所產生的功率波形將是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件非常冗長乏味的任務，而TDSPWR2的高級測量能力，可自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，以此提供開關器件的有關信息。

　　負載動態變化期間的功率損耗分折

　　在實際運行環境中，電源有著持續的動態負載變化。所以測量中很重要的一步，是要捕獲整個負載變化事件，并對開關損耗進行鑒定，以確保電源不因這些而過載。

　　當今，大部分設計人員都采用具有深度內存(2MB)和高取樣速率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的挑戰，是如何分析各開關損耗點所生成的大量數據，因為它給開關器件造成了很大的應力。

　　TDSPWR2的HiPowerFinder功能可避免分析深度內存數據所帶來的挑戰。只需在范圍內選擇感興趣的點，HiPowerFinder便可在深度內存數據內查找該點。找到該點后，可用TDSPWR2在光標位置周圍放大，以詳細觀察其活動。這一功能，加上前面提及的開關損耗測量功能，可使用戶迅速有效地分析開關器件的功率耗散情況。

　　計算電磁元件的功率損耗

　　另一種可減少功率損耗的方法與磁芯有關。從典型的AC/DC和DC/DC線路圖來看，電感器和變壓器是耗散功率的其他組件，因此不僅會影響功率效率，而且可造成熱耗散。

　　電感器的測試通常采用LCR，LCR使用一正弦波作為測試信號。在開關式電源中，電感器將被加載上高壓、高電流開關信號，但都不是正弦信號。因此電源設計人員需監視實際通電電源內的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進行的測試，不能反映實際情況。

　　觀察磁芯特征的最有效方法是通過B-H曲線，因為B-H曲線能迅速揭示電源內電感器的行為特征。以前，若需查看和分析B-H特征,設計人員須先捕獲信號，然后在個人PC上進行進一步的分析。現在，用戶可通過TDSPWR2直接在示波器上進行B-H分析，即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時，TDSPWR2還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數據間的光標鏈接。

　　TDSPWR2的B-H分析能力還可在實際的SMPS環境中自動測量功率損耗。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯或次磁芯上進行功率損耗測量。這些結果之差即是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。這些測量值可揭示功率耗散區的信息。

結論

　　TDSPWR2分析軟件具有開關器件功率損耗、HiPower Finder和B-H分析等關鍵功能，可快速提供開關式電源的各項測量值。如果與TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型數字熒光示波器一起使用，用戶不僅能迅速查找功率耗散區域，并能在動態情況下觀察其功率耗散行為特征。

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