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Maxim 高級工程師 Dwight Larson Oscilloscope Math Functions Aid Hot-Swap Circuit Analysis 盡管數字示波器是電路實(shí)驗室中最常見(jiàn)的儀器，但有些功能可能并不為人所熟知，數字示波器的計算功能就是其中之一。其實(shí)利用數字示波器的計算功能可以簡(jiǎn)化對熱插拔和負載切換電路的分析。本篇應用筆記將介紹如何利用示波器獲取MAX5976熱插拔電路中MOSFET功耗和負載電容的精確值。 數字示波器的計算功能是數字示波器最有趣的功能之一，可以簡(jiǎn)化和擴展對熱插拔與負載切換電路的分析。巧用示波器的計算功能可以得出負載電容或MOSFET在導通和關(guān)斷時(shí)的瞬時(shí)功耗，這些參數對于設計和分析熱插拔與負載切換電路非常有意義，如果沒(méi)有示波器計算功能，這類(lèi)參數只能做近似估計。 本篇應用筆記介紹如何利用示波器檢測熱插拔電路MOSFET功耗和負載電容的精確值。 設置示波器 簡(jiǎn)化起見(jiàn),我們用圖1所示的MAX5976熱插拔電路來(lái)做演示，其內置的檢流功能和帶驅動(dòng)的MOSFET構成了一個(gè)完整的電源切換電路 (下面的測試方法同樣適用于由分立元件搭的熱插拔控制電路)。按圖1所示方式將示波器探頭連至熱插拔電路，示波器即可獲取計算所需信號，兩個(gè)電壓探頭分別接輸入和輸出，用于檢測MOSFET兩端壓降，電流探頭用來(lái)檢測流過(guò)MOSFET的電流。 
圖1 示波器探頭連至MAX5976或MAX5978熱插拔電路，示波器則利用測試結果進(jìn)行計算。 這個(gè)基本連接方式同樣適用于非集成的熱插拔電路。測試輸入和輸出電壓的探頭分別接到MOSFET的前面和后面(MAX5976的MOSFET在內部，MAX5978則是外置MOSFET)，電流探頭要與電路檢流電阻串聯(lián)。為了測到流經(jīng)開(kāi)關(guān)元件的精確電流值，電流探頭應該放在輸入電容后，輸出電容前的位置。 MOSFET功耗 開(kāi)關(guān)器件(通常是n溝道 MOSFET)的功耗等于漏極/源極電壓差(VDS)與漏極電流(ID)的乘積。圖1中，VDS是通道2和通道1的差，ID是電流探頭直接測量的結果。我們用的示波器(Tektronix® DPO3034)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的計算通道，可以通過(guò)如下(圖2)菜單配置。
圖2 DPO3034 數字示波器的高級計算菜單可以直接編輯計算公式 通過(guò)簡(jiǎn)單編輯一個(gè)公式,實(shí)現通道1與通道2之差乘以電流探頭測得的值，從而得出MOSFET功耗。當熱插拔電路使能后，輸出電壓以dV/dt的斜率接近輸入電壓，流經(jīng)MOSFET的輸出電容充電電流(ID)為: ID = COUT × dV/dt 當輸出電容為360µF，VIN = 12V時(shí)，MOSFET導通瞬間示波器屏幕截圖如圖3a所示。MAX5976將瞬時(shí)浪涌電流限制在2A。注意功率波形是一個(gè)下降的斜坡，開(kāi)始于12V × 2A = 24W，當輸出電壓升至12V時(shí)降至0W，熱插拔電路以恒定電流為負載電容充電，這正是我們所期望的。 如此方式測得的功率波形可用來(lái)判斷MOSFET是否工作在其安全工作區(SOA),或根據數據資料的相關(guān)圖表估算MOSFET結溫的溫升。根據實(shí)測波形直接進(jìn)行計算的誤差要小很多。另外，即使如圖3b所示的浪涌電流和dV/dt都不是常數，功耗的測量波形依然精確。
圖3a 圖1電路中的MOSFET功耗 (紅色波形)，COUT=360µF，浪涌電流被限制在2A。
圖3b 浪涌電流和dV/dt都不是常數時(shí)，測得的功耗波形依然精確。此處的浪涌電流就沒(méi)有限流。
圖4 對功率積分可以得出圖1電路中MOSFET在開(kāi)啟階段的總能耗 如果示波器支持積分功能, 則能進(jìn)一步得出MOSFET在任何高耗能事件中的實(shí)際總能耗。圖4新增紅色曲線(xiàn)為利用示波器積分功能計算出MOSFET消耗的能量信息。 如圖3a所示，COUT為360µF，浪涌電流被限制在2A。由于功率在MOSFET開(kāi)啟的2ms內是一個(gè)三角形狀，可以算出大約有24W/2×2ms=24mJ的能量變成了熱�？梢钥闯�，當MOSFET開(kāi)啟結束時(shí)，示波器積分功能計算出的能量數據就是24mWs (=24mJ)! 此類(lèi)功能還適用于分析MOSFET的其它瞬態(tài)事件，如關(guān)斷，短路或過(guò)載。如此詳盡的功率和能量數據可用來(lái)精確分析MOSFET瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)的SOA和溫度特性。 測量負載電容 數字示波器計算功能中的積分功能還可用來(lái)測量熱插拔電路中的負載電容。假設不考慮電路阻抗對電流的影響，則負載電容值等于電容電壓每變化一伏改變的電量；而電量就是電流對時(shí)間的積分。因此，對熱插拔電路浪涌電流除以輸出電壓的值進(jìn)行積分，數字示波器就可以精確計算出負載電容值大小。圖5a中，熱插拔控制器輸出有三個(gè)10µF陶瓷電容。由于作為分母的電壓初始值為零，所以計算曲線(xiàn)的開(kāi)始階段沒(méi)有任何實(shí)際意義。但VOUT超過(guò)伏后，計算出的電容值大約為27µF�？梢钥闯�，盡管示波器的功能已經(jīng)十分強大，但仍不能如我們所希望的那樣正確顯示電容值單位！ 圖5b的測試和圖5a相同,但在輸出電容處增加了一個(gè)330µF電解電容，當MOSFET開(kāi)啟結束時(shí)，可以看到示波器顯示結果恰好就是360µF，正是我們所期望的。注意阻性負載會(huì )降低電容測試的精度，因為它會(huì )分流進(jìn)入電容的電荷。但對于瞬態(tài)時(shí)間分析，結果依然非常有用。
圖5a 當COUT=30µF時(shí)，圖1電路測得的輸出電容值
圖5b 當COUT=30µF+330µF時(shí)，圖1電路測得的輸出電容 |
