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信號從測試點(diǎn)到示波器的連接 作者：泰克科技公司，Wilson Lee 現代寬禁帶功率器件(SiC, GaN)上的開(kāi)關(guān)晶體管速度越來(lái)越快，使得測量和表征成為相當大的挑戰，在某些情況下幾乎不可能實(shí)現。隔離探測技術(shù)的出現改變了這種局面，通過(guò)這一技術(shù)，設計人員終于能夠放心地測量以前回避的半橋和門(mén)驅動(dòng)器波形。通過(guò)詳細了解相關(guān)挑戰，并使用適當的探測技術(shù)，電源工程師可以更加迅速、高效地表征和優(yōu)化其設計。 半橋電路(圖1)廣泛用于功率電子領(lǐng)域的多種應用，是現代設計中有效轉換電能使用的基本電路。但是，只有在半橋、門(mén)驅動(dòng)器和布線(xiàn)正確且優(yōu)化設計時(shí)，這種電路的優(yōu)勢才能得到實(shí)現。在測量結果與預期結果不一致時(shí)，可能很難提取與被測器件有關(guān)的有意義的細節。更糟糕的是，基于探頭位置和其他因素，波形可能會(huì )明顯變化，最終會(huì )讓設計人員得不償失。 
圖1. 半橋電路廣泛用來(lái)在現代設計中高效轉換電能。 效率和功率密度要求經(jīng)常會(huì )隨著(zhù)應用設計要求變化，如是否要優(yōu)化性能價(jià)格比。在功率密度中改善能效的要求，決定著(zhù)設計的拓撲結構，進(jìn)而影響著(zhù)要考慮的測量設備和技術(shù)。表1匯總了半橋和門(mén)驅動(dòng)器最重要的指標和測量。 表1. 門(mén)驅動(dòng)器和半橋配置最重要的測量。
準確進(jìn)行功率測量離不開(kāi)測量系統在多個(gè)方面的性能，包括電壓處理、共模抑制、連接能力、溫度處理能力、測量非常小的電流的能力。盡管功率設計要求日新月異，但測試測量技術(shù)的實(shí)際發(fā)展一直有些滯后。在某些情況下，設計人員不得已開(kāi)發(fā)定制測量解決方案，或只能近似獲得部分測量，忽視可能的優(yōu)化。 在最基礎的層次上，這些測量使用示波器及一套相應的探頭執行。在進(jìn)行準確可靠的功率測量方面，示波器幾乎不成問(wèn)題。而最大的挑戰是從測試點(diǎn)到示波器獲得信號。因此，選擇適當的探頭完成工作至關(guān)重要，不管是無(wú)源探頭還是單端探頭，是傳統高壓差分探頭、電流探頭還是隔離探頭。 單端探頭 – 低壓側測量 大多數示波器都會(huì )配有一套無(wú)源或單端探頭。這些探頭只能準確地測量以示波器地電平為參考的信號，且限于進(jìn)行低壓側測量。通過(guò)隔離示波器，或使用一對探頭進(jìn)行偽差分測量（參見(jiàn)后面的討論），您可以使用無(wú)源探頭執行高壓側測量，但一般不推薦采用這種方法。 在考慮某項測量任務(wù)需要多高的探頭性能時(shí)，人們一般會(huì )把重點(diǎn)放在帶寬上。傳統思維認為，帶寬越高，性能就越高。的確，帶寬是一個(gè)重要指標，它決定了可以測量正弦波峰峰值幅度的最高頻率。但實(shí)際上，您并不是在頻域中測量正弦波，而是要顯示和測量信號隨時(shí)間變化，也就是在時(shí)域中測量信號。 因此，半橋和門(mén)驅動(dòng)器測量中最應關(guān)注的性能指標是上升時(shí)間。上升時(shí)間可以從帶寬中計算得出，但如果想可靠地了解測量系統的上升時(shí)間和全部時(shí)間響應，唯一的方式是使用階躍信號來(lái)實(shí)際測量上升時(shí)間，這個(gè)階躍信號要遠遠快于您測量的信號。 測量系統如果上升時(shí)間性能不足，那么就會(huì )出現階躍響應畸變，如圖2所示，包括非線(xiàn)性度、變圓和頂降�？赡芎茈y確認這些畸變是實(shí)際來(lái)自測量系統還是來(lái)自被測器件，只有通過(guò)表征測量系統才能找到真正答案。為避免這些測量誤差，選擇的探頭的上升時(shí)間一定要快于被測器件的上升時(shí)間。
圖2. 在功率器件測量精度中，上升時(shí)間指標要比帶寬指標更重要。 圖3顯示了快速探頭的意義，其中使用1 GHz無(wú)源探頭測量高速FET驅動(dòng)器的低壓側，該驅動(dòng)器的產(chǎn)品資料中顯示上升時(shí)間< 1 ns。由于這只探頭的上升時(shí)間指標在450 ps左右，所以我們能夠測量略高于500 ps的上升時(shí)間。如果進(jìn)行這一測量時(shí)使用的探頭上升時(shí)間較慢，比如500 MHz探頭，那么波形前面拐角處的高頻成分會(huì )變圓。
圖3. 由于450 ps上升時(shí)間指標，1 GHz泰克TPP1000無(wú)源探頭能夠準確地測量高速FET。 測量門(mén)驅動(dòng)器電流 在測量門(mén)驅動(dòng)器電流時(shí)，許多設計人員使用外加電流分流器，而不是電流探頭，原因很簡(jiǎn)單，因為使用電流探頭測量環(huán)路的電感會(huì )影響電路。通常來(lái)說(shuō)，設計中在門(mén)驅動(dòng)器和門(mén)之間會(huì )已經(jīng)串聯(lián)了一個(gè)電阻器。為使插入阻抗達到最小，電流分流器的阻值會(huì )保持得非常低，所以經(jīng)過(guò)電流分流器的電壓下跌也會(huì )非常低。通過(guò)先測得經(jīng)過(guò)電流分流器的電壓下跌值，然后再除以電阻器的已知電阻，可以得出電流。 把電流分流器連接到低壓側上，通常意味著(zhù)一個(gè)端子接地。放在低壓側與放在高壓側的主要差異，是放在低壓側會(huì )降低或有效消除共模電壓，共模電壓會(huì )在電流分流器的任意一側同時(shí)同相出現。因此，一般推薦在低壓側放置電流分流器，特別是在高壓情況下。在高流應用中，接地彈跳會(huì )顯示為共模信號。 隔離示波器 打破接地環(huán)路的技術(shù)之一，是“隔離示波器”或隔離被測電路。浮地會(huì )打破與接地的連接，在理論上可以在兩個(gè)測試點(diǎn)之間進(jìn)行差分測量，因為示波器接地已經(jīng)被破壞。這種方法本身就是危險的，因為它破壞了觸電保護，還可能會(huì )損壞測量設備。 浮動(dòng)測試可能適用于某些測量，特別是在非常低的頻率上，但要注意如果沒(méi)有低阻抗接地連接，來(lái)自示波器的放射輻射和傳導輻射可能會(huì )以噪聲形式干擾測量。另外注意，在較高頻率中斷接地時(shí)，可能并不會(huì )中斷接地環(huán)路，因為“浮動(dòng)”電路會(huì )一直通過(guò)大的寄生電容保持耦合接地，從而導致振鈴和波形失真。圖4顯示了高壓側門(mén)驅動(dòng)器上的浮動(dòng)測量。振鈴和失真很明顯，出現了高達28 V過(guò)沖。
圖4. 在這個(gè)高壓側門(mén)驅動(dòng)器浮動(dòng)測量中，明顯有振鈴、失真和28 V過(guò)沖。 也可以使用偽差分測量（而不是無(wú)源探頭），可能滿(mǎn)足某些低頻信號測量。通過(guò)進(jìn)行兩個(gè)地電平參考的信號測量，使用示波器對兩條示波器通道進(jìn)行減法運算，可以完成測量。在圖5中，示波器從CH1的波形中減去CH2的波形，得到紅色波形。兩個(gè)輸入必須設置成相同的標度，探頭必須一模一樣且緊密匹配。這種技術(shù)中的共模抑制比(CMRR)很差，如圖5所示，特別是在更高頻率下，可能會(huì )超過(guò)示波器輸入范圍。CMRR是指示波器在進(jìn)行差分測試時(shí)抑制兩個(gè)測試點(diǎn)的共模電壓的能力。
圖5. 偽差分測量性能有限，但對擁有低共模信號的超低頻信號測量足夠了。 差分探頭 對大多數GaN和SiC應用，差分探頭是準確進(jìn)行低壓側測量和某些高壓側測量的很好選擇。但對性能更高的器件來(lái)說(shuō)，最可能的情況是傳統高壓差分探頭并不是最佳選擇，因為其在更高的頻率下共模抑制能力不足。在執行高壓側電壓測量時(shí)，這成為一個(gè)明顯的問(wèn)題，因為要在快速開(kāi)關(guān)跳變過(guò)程中，在存在大的共模電壓的情況下測量小的差分電壓。 一個(gè)常見(jiàn)的誤解是差分探頭是浮動(dòng)的。其實(shí)，傳統差分探頭基于差分放大器，差分放大器則連接到接地上。遺憾的是，這種連接限制了共模電壓范圍，導致頻率額定值下降，產(chǎn)生接地彈跳，在帶寬超過(guò)一定MHz時(shí)會(huì )限制共模抑制比。 在測試通電的GaN或SiC器件時(shí)，這些局限性尤其明顯，因為這些器件擁有超快速開(kāi)關(guān)速率，甚至有標稱(chēng)的共模電壓。例如，100 MHz帶寬差分探頭在DC時(shí)提供了-70 dB CMRR，在1 MHz時(shí)提供了-50 dB CMRR，而在100 MHz時(shí)則下降到-27 dB CMRR，大約是22 : 1。 探頭產(chǎn)品技術(shù)資料中很難看到這么差的指標，因為額定值隨頻率下降不可能成為廠(chǎng)家推廣的指標。您需要翻查用戶(hù)手冊，才會(huì )找到像圖6這樣的示圖，但我們很容易就能計算出CMRR較差的影響。例如，對600 V共模電壓，得到的誤差是27 V (600除以22)。這種表現很扎眼，因為在存在600 V共模電壓時(shí)，使用誤差這么大的探頭是不可能準確測量高頻15 V差分信號的。
圖6. 100 MHz帶寬差分探頭在頻率提高時(shí)CMRR額定值下降到-27 dB。 在計算共模抑制時(shí)，另一個(gè)考慮因素是探頭和DUT之間的連接。大多數共模抑制指標只包括探頭，沒(méi)有考慮額外的連接選項，如大的掛勾夾。 由于缺乏足夠的探測配件，許多電源設計人員求助于某些替代技術(shù)來(lái)執行高壓側器件測量，如先測量低壓側，使用全面仿真推導高壓側結果，考察發(fā)熱的特點(diǎn)、EMI接近式探測，如果這些方法都行不通，那么就只能試錯了。 高性能隔離探頭 SiC和GaN 功率器件擁有超快速開(kāi)關(guān)速率和高標稱(chēng)共模電壓，在測試這些器件時(shí)，單端探頭和差分探頭的局限性變得更加明顯。由于這些信號捕獲問(wèn)題源于接地需求，因此可行的解決方案所采用的探頭技術(shù)不能依賴(lài)于接地，從而或多或少地不受共模電壓的影響。這種隔離探頭完全通過(guò)光纖運行，提供了大量的優(yōu)勢，包括高達1 GHz的帶寬、大的差分電壓范圍、在所有頻率中提供了完美的共模抑制能力。 在執行高壓側VGS測量時(shí)，工程師需要查看足夠的波形細節，來(lái)確認仿真，評估信號特點(diǎn)，如與圖7中表示的理想狀態(tài)相比產(chǎn)生的振鈴。高壓側VGS打開(kāi)，第一個(gè)區域表示CGS門(mén)源充電時(shí)間，后面是米勒平臺。在通道進(jìn)行傳導后，門(mén)將充電到最終值。
圖7. 這是高壓側VGS理想狀態(tài)的示意圖。 圖8比較了使用傳統高壓差分探頭與使用高性能隔離探頭進(jìn)行高壓側VGS 測量，明顯可以看出，在傳統探頭提供的測量基礎上，很難提取有意義的信息，制訂設計決策。
圖8. 隔離高壓差分探頭提供了優(yōu)化器件性能所需的信心。 相比之下，隔離高壓測量系統為測量、表征和優(yōu)化設計性能提供了所需的分辨率和可重復性�？梢悦黠@看出米勒平臺及開(kāi)關(guān)到節點(diǎn)轉換的關(guān)聯(lián)。這個(gè)波形清楚地顯示了以前隱藏的諧振和信號細節，從而為優(yōu)化性能、開(kāi)發(fā)設計而又不會(huì )過(guò)于保守提供了所需的信心。 高壓側，低壓側交互 對容差緊張的GaN器件，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)中低壓側開(kāi)關(guān)與高壓側門(mén)極之間的寄生耦合，是診斷起來(lái)比較困難的問(wèn)題之一。圖9顯示了來(lái)自高壓側的過(guò)沖或振鈴傳遞到低壓側的情況。如果不能執行準確的高壓側測量，這種情況是無(wú)從知曉的，其會(huì )產(chǎn)生大量的問(wèn)題，至少會(huì )導致開(kāi)關(guān)和效率損耗和劣化，最壞情況是低壓側和高壓側開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)導致災難性的故障。
圖9. 能夠查看實(shí)際波形，使得診斷和解決開(kāi)關(guān)節點(diǎn)之間的寄生耦合等問(wèn)題成為可能。 小結 可以肯定地說(shuō)，半橋和門(mén)驅動(dòng)器測量面臨著(zhù)諸多挑戰，必須克服這些挑戰，才能全面利用最新寬禁帶器件的優(yōu)勢。這要求正確的測量技術(shù)和強大的測量解決方案。通常來(lái)說(shuō)，問(wèn)題的根源不在于示波器，而在于探頭的選擇上。高壓側門(mén)測量尤其困難，但通過(guò)了解共模抑制比，及隔離高壓差分探頭在存在高共模電壓情況下可以怎樣實(shí)現精確可靠地測量，許多相關(guān)挑戰都能迎刃而解。 |
