隨著許多行業(yè)對開關電源需求之不斷增長,測量和分析下一代開關式電源的功率損耗就顯的至關重要。在這個應用領域,TDS5000或TDS7000系列數(shù)字熒光示波器,加上TDSPWR2功率測量軟件可助您輕松完成所需的測量和分析任務。

　　新型的開關式電源(SMPS:Switch Mode Power Supply)體系結構,需要給具有數(shù)據(jù)速度高和GHz級處理器提供很高的電流和較低的電壓,這給電源裝置設計人員在效率、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、有源功率濾波校正和提高開關頻率等新型體系結構。這些技術也隨之帶來了某些更高的挑戰(zhàn),如:開關裝置上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC。

　　從“關”(導通)至“開”(關斷)狀態(tài)的轉換期間,電源裝置會出現(xiàn)較高的功率損耗。(而處于“開”或“關”狀態(tài)之中的開關裝置的功率損耗則較少,因為通過裝置的電流或裝置上的電壓很小)。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負載電流。電感器和變壓器也易受開關頻率的影響,從而導致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。

圖1 開關內的電路示意圖

　　由于開關式電源裝置內耗散的功率,決定了電源熱效應的總體效率,所以測定開關裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作。這種測量可測定功率效率和熱耗散。

　　1、精確功率損耗測量所需的測試裝置

　　圖1所示為開關變換的簡化電路。MOSFET場效應功率晶體管在40kHz時鐘的激勵下控制著電流。圖1中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地的連接,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。

　　在這種情況下,差分測量是測量M0SFET電壓波形的最好方法。通過差分測量,您可測定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,這取決于電源裝置的電壓范圍。您可通過幾種方法測量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(guī)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進行測量。這種測量法叫做準差分測量。然而，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。這種設置不能準確地測量電壓，但可使用已有的探頭。
　　·使用商店里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主接地電位，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,但較為昂貴，其成本是差分探頭的兩至五位。
　　·在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。您可通過差分探頭精確地測量VDS，也是最好的方法。

　　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(tǒng)。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，待示波器和探頭完人暖機后，便可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。敏感度設置應使用實際測量所用的數(shù)值。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(tǒng)內的靜態(tài)電壓和電流而導致的測量誤差。

　　2、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(tǒng)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由于探接而造成的傳導延遲。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。測試設置現(xiàn)已準備就緒,可開始進行精確測量了。

　　3、計算非周期性開關信號上的功率損耗

　　如果發(fā)射極或漏極有接地,測量動態(tài)的開關參數(shù)則較為簡單。但您需在浮動電壓上,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。您可通過霍爾效應電流探頭查看穿劃開關裝置的電流,而無需干擾電路本身。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(jù)捕獲的數(shù)據(jù)測量開關裝置的量小、最大和平均功率損耗。在分析開關裝置的功率耗散時,這些數(shù)據(jù)非常有用。如圖4所示,這些數(shù)據(jù)將顯示為Turn on Loss(導通損耗)、Turn of Loss(關斷損耗)和Power Loss(功率損耗)。在分析開關裝置的功率耗散時,這些數(shù)據(jù)非常有用。如果知道了接通和斷開時的功率損糙,您便可著手解決電壓和電流躍遷,以減少功率損耗。

圖4 開關裝置在導通時的最小、最大和平均功率損耗

　　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。圖5所示為負載轉換時的功率波形。請注意,當負載轉換時,開關裝置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。然而,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,以此提供開關裝置的有關信息。

開關裝置的最小、最大和平均功率損耗

　　4、負載動態(tài)變化期間的功率損耗分析

　　在實際運行環(huán)境中,電源裝置有著持續(xù)的動態(tài)負載變化。圖5所示情況表明,轉換時的功率損耗在負載變化期間亦有變化。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,以確保電源裝置不因這些而過載。

　　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(zhàn),是如何分析各開關損花點所生成的大量數(shù)據(jù),因為它給開關裝置造成了很大的應力。

　　TDSPWR2的HiPower Finder功能,可避免分析深度內存數(shù)據(jù)所帶來的挑戰(zhàn)。圖6所示是在開關裝置上,使用HPower Finder功能獲得的典型功率波形之結果。

圖6 HiPower Finder功能的查找結果：開關裝置負載變化時的功率波形

　　圖6展示了HPower Finder的獨特能力。所示結果為:捕獲數(shù)據(jù)中的開關事件次數(shù)匯總和開關損耗最大值/最小值。此時,您可輸入您感興趣的范圍,以此查看所需的開關損耗點。您只需在范圍內選擇感興趣的點,HiPower Finder便可在深度內存數(shù)據(jù)內查找該點。找到該點后,您可用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起測量功能,可使您迅速而有效地分析開關裝置的功率耗散情況。

　　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它組件,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。在開關式電源裝置中，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。因此電源裝置設計人員需監(jiān)視實際通電電源裝置內的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進行的測試，可能不能反映實際情況。

　　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裝置內電感器的行為特征。TDSPWR2可使您用實驗室的示波器,快速進行B-H分析,無需使用昂貴的專用工具。

　　在電源裝置的接通和穩(wěn)態(tài)期間,電感器和變壓器有不同的行為特征。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機上進行進一步的分析?，F(xiàn)在,您可通過TDSPWR2直接在示波器上進行BH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BH圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標鏈接。

　　TDSPWR2的B-H分析能力,還可在實際的SMPS環(huán)境中自動測量功率損耗和電感器值。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗,可在主磁芯,也可在次磁芯上進行功率損耗測量。這些結果之差乃是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外,在無負載情況下,主磁芯之功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內的總功率損耗。這些測量值可揭示功率耗散區(qū)的信息。

　　可與TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型數(shù)字熒光示波器一起使用的TDSPWR2功率測量和分析軟件的開關裝置功率損耗、HiPower Finder和B-H分析功能,可較快地提供開關式電源裝置的各項測量值,從而使您能迅速查找功率耗散區(qū)域,并在動態(tài)情況下觀察其功率耗散行為特征。