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隨著(zhù)許多行業(yè)對開(kāi)關(guān)電源需求的不斷增長(cháng)，測量和分析下一代開(kāi)關(guān)電源的功率損耗就顯得至關(guān)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(jìn)行功率損耗分析。 新型的開(kāi)關(guān)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(wú)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(shù)、有源功率因數校正和提高開(kāi)關(guān)頻率等新結構。這些技術(shù)也隨之帶來(lái)了某些更高的挑戰，如:開(kāi)關(guān)器件上較高的功率損耗和過(guò)度的EMI/EMC。 由于開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(shí)功率損耗時(shí)，所面臨的挑戰有下列幾個(gè)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(kāi)關(guān)變化的功率損耗圖；分析負載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗；計算電感器或變壓器的磁芯損耗。 1 精確測量功率損耗所需的測試裝置 圖1所示為開(kāi)關(guān)變換的簡(jiǎn)化電路。圖1中的MOSFET沒(méi)有與AC饋電線(xiàn)接地或電路輸出接地連接，即與地隔離，因此無(wú)法用示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單的接地參考電壓測量，因為若把探頭的接地導線(xiàn)連接在MOSFET的任何端子上，都會(huì )使該點(diǎn)通過(guò)示波器與接地短路。 圖1 開(kāi)關(guān)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(dòng)，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(guò)以下幾種方法測量VDS: *懸浮示波器的機箱地線(xiàn)。建議不要使用，因為這樣極不安全，對用戶(hù)、被測設備和示波器都有危險。 *使用兩個(gè)常規的單端無(wú)源探頭將其接地導線(xiàn)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(wú)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(chǎng)上可以買(mǎi)到的探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭的接地導線(xiàn)將不再為接地電位，并可將探頭與一個(gè)測試點(diǎn)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�？赏ㄟ^(guò)差分探頭精確地測量VDS，這是最好的方法。 通過(guò)MOSFET進(jìn)行電流測量時(shí)，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(guān)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(shí)際測量所用的數值設置敏感度。在沒(méi)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(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(kāi)關(guān)式電源內進(jìn)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(diǎn)很重要。這一過(guò)程被稱(chēng)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(shí)滯，然后再以手動(dòng)方式通過(guò)示波器的偏移校正范圍調整時(shí)滯，但這是一個(gè)非常冗長(cháng)乏味的過(guò)程。 一種較簡(jiǎn)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(jìn)行偏移校正時(shí)，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(diǎn)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(dòng)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(shí)滯進(jìn)行自動(dòng)補償。至此，測試設置現已準備就緒，可開(kāi)始進(jìn)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(dòng)偏移校正”后的情形 3 計算非周期性開(kāi)關(guān)信號上的功率損耗 如果發(fā)射極或漏極有接地，測量動(dòng)態(tài)的開(kāi)關(guān)參數則較為簡(jiǎn)單。但需在浮動(dòng)電壓上測量差動(dòng)電壓。若需精確地鑒定并測量差動(dòng)開(kāi)關(guān)信號，最好使用差分探頭。我們可通過(guò)霍爾效應電流探頭查看穿過(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流，而無(wú)須干擾電路本身。此時(shí)便可用TDSPWR2的自動(dòng)偏移校正功能，去除前面解釋的傳導延遲。 TDSPWR2 軟件的“開(kāi)關(guān)損耗”功能可自動(dòng)計算功率波形，并根據捕獲的數據測量開(kāi)關(guān)器件的最小、最大和平均功率損耗。在分析開(kāi)關(guān)器件的功率耗散時(shí)，這些數據非常有用。這些數據將顯示為T(mén)urn on Loss(導通損耗)、Turn off Loss(關(guān)斷損耗)和Power Loss(功率損耗)。在分析開(kāi)關(guān)器件的功率耗散時(shí)，這些數據非常有用。如果知道了接通和斷開(kāi)時(shí)的功率損耗，便可著(zhù)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(kāi)關(guān)頻率以驅動(dòng)輸出負載。注意，當負載轉換時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的功率損耗也隨之變化。所產(chǎn)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(cháng)乏味的任務(wù)，而TDSPWR2的高級測量能力，可自動(dòng)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(kāi)關(guān)器件的有關(guān)信息。 4 負載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗分折 在實(shí)際運行環(huán)境中，電源有著(zhù)持續的動(dòng)態(tài)負載變化。所以測量中很重要的一步，是要捕獲整個(gè)負載變化事件，并對開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行鑒定，以確保電源不因這些而過(guò)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(kāi)關(guān)損耗點(diǎn)所生成的大量數據，因為它給開(kāi)關(guān)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(lái)的挑戰。只需在范圍內選擇感興趣的點(diǎn)，HiPowerFinder便可在深度內存數據內查找該點(diǎn)。找到該點(diǎn)后，可用TDSPWR2在光標位置周?chē)糯�，以詳細觀(guān)察其活動(dòng)。這一功能，加上前面提及的開(kāi)關(guān)損耗測量功能，可使用戶(hù)迅速有效地分析開(kāi)關(guān)器件的功率耗散情況。 5 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(guān)。從典型的AC/DC和DC/DC線(xiàn)路圖來(lái)看，電感器和變壓器是耗散功率的其他組件，因此不僅會(huì )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(kāi)關(guān)式電源中，電感器將被加載上高壓、高電流開(kāi)關(guān)信號，但都不是正弦信號。因此電源設計人員需監視實(shí)際通電電源內的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進(jìn)行的測試，不能反映實(shí)際情況。 觀(guān)察磁芯特征的最有效方法是通過(guò)B-H曲線(xiàn)，因為B-H曲線(xiàn)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(gè)人PC上進(jìn)行進(jìn)一步的分析�，F在，用戶(hù)可通過(guò)TDSPWR2直接在示波器上進(jìn)行B-H分析，即時(shí)觀(guān)察電感器行為特征。在做深入分析時(shí)， 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(shí)際的SMPS環(huán)境中自動(dòng)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(jìn)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。 6 結論 TDSPWR2分析軟件具有開(kāi)關(guān)器件功率損耗、HiPower Finder和B-H分析等關(guān)鍵功能，可快速提供開(kāi)關(guān)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(hù)不僅能迅速查找功率耗散區域，并能在動(dòng)態(tài)情況下觀(guān)察其功率耗散行為特征。 |
