隨著許多行業(yè)對(duì)開關(guān)電源需求之不斷增長,測(cè)量和分析下一代開關(guān)式電源的功率損耗就顯的至關(guān)重要。在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,TDS5000或TDS7000系列數(shù)字熒光示波器,加上TDSPWR2功率測(cè)量軟件可助您輕松完成所需的測(cè)量和分析任務(wù)。
新型的開關(guān)式電源體系結(jié)構(gòu),需要給具有數(shù)據(jù)速度高和GHz級(jí)處理器提供很高的電流和較低的電壓,這給電源裝置設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中考慮到這些需求,設(shè)計(jì)人員采用了同步整流技術(shù)、有源功率濾波校正和提高開關(guān)頻率等新型體系結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)也隨之帶來了某些更高的挑戰(zhàn),如:開關(guān)裝置上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC。
從“關(guān)”（導(dǎo)通）至“開”（關(guān)斷）狀態(tài)的轉(zhuǎn)換期間,電源裝置會(huì)出現(xiàn)較高的功率損耗。（而處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)之中的開關(guān)裝置的功率損耗則較少,因?yàn)橥ㄟ^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(fù)載電流。電感器和變壓器也易受開關(guān)頻率的影響,從而導(dǎo)致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。
由于開關(guān)式電源裝置內(nèi)耗散的功率,決定了電源熱效應(yīng)的總體效率,所以測(cè)定開關(guān)裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項(xiàng)極為重要的測(cè)量工作。這種測(cè)量可測(cè)定功率效率和熱耗散。（SMPS:Switch Mode Power Supply）
功率損耗的測(cè)量和分析
1、功率損耗測(cè)量所需的測(cè)試裝置
圖1所示為開關(guān)變換的簡化電路。MOSFET場效應(yīng)功率晶體管在40kHz時(shí)鐘的激勵(lì)下控制著電流。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(jìn)行簡單的接地參考電壓測(cè)量,因?yàn)槿舭烟筋^的接地導(dǎo)線連接在MOSFET的任何端子上,都會(huì)使該點(diǎn)通過示波器與接地短路。
在這種情況下,差分測(cè)量是測(cè)量M0SFET電壓波形的方法。通過差分測(cè)量,您可測(cè)定VDS,即MOSFET的漏子和源子上的電壓。VDS可在電壓之上浮動(dòng),電壓范圍可為幾十伏至幾百伏,這取決于電源裝置的電壓范圍。您可通過幾種方法測(cè)量VDS:
·懸浮示波器的機(jī)箱地線。建議不要使用,因?yàn)檫@樣極不安全,對(duì)用戶、被測(cè)設(shè)備和示波器都有危險(xiǎn)。
·使用兩個(gè)常規(guī)的單端無源探頭，將其接地導(dǎo)線連接在一起,然后用示波器的通道計(jì)算功能進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量法叫做準(zhǔn)差分測(cè)量。然而，雖然無源探頭可與示波器的放大器結(jié)合使用，但缺少可適當(dāng)阻止任何共模電壓的“共模抑制比”（CMRR）功能。這種設(shè)置不能準(zhǔn)確地測(cè)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(jī)箱接地。探頭的接地導(dǎo)線將不再主接地電位，并可將探頭與一個(gè)測(cè)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。您可通過差分探頭地測(cè)量VDS，也是的方法。
通過MOSFET進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，先將電流探頭夾好，然后微調(diào)測(cè)量系統(tǒng)。許多差分探頭都裝有內(nèi)置的直流偏移微調(diào)電容器。關(guān)閉被測(cè)設(shè)備，待示波器和探頭完人暖機(jī)后，便可設(shè)定示波器測(cè)量電壓和電流波形的平均值。敏感度設(shè)置應(yīng)使用實(shí)際測(cè)量所用的數(shù)值。在沒有信號(hào)的情況下，調(diào)整微調(diào)電容器，將每一波形的零位平均值調(diào)至0V。這一步驟可zui大限度地減少因測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。
2、校正因電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲而造成的誤差
在開關(guān)式電源內(nèi)進(jìn)行任何功率損耗測(cè)量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號(hào)，以消除傳導(dǎo)延遲，這一點(diǎn)很重要。這一過程被稱作“偏移校正”。傳統(tǒng)的方法是先計(jì)算電壓和電流信號(hào)之間的時(shí)滯，然后再以手動(dòng)方式通過示波器的偏移校正范圍調(diào)整時(shí)滯。但這是一個(gè)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(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(cè)試點(diǎn)上。偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號(hào)激勵(lì)。如果需要,還可用外部信源激勵(lì)偏移校正夾具。
TDSPWR2軟件的偏移校正能力,可自動(dòng)設(shè)置示波器并計(jì)算由于探接而造成的傳導(dǎo)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(duì)時(shí)滯進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。測(cè)試設(shè)置現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒,可開始進(jìn)行測(cè)量了。
3、計(jì)算非周期性開關(guān)信號(hào)上的功率損耗
如果發(fā)射極或漏極有接地,測(cè)量動(dòng)態(tài)的開關(guān)參數(shù)則較為簡單。但您需在浮動(dòng)電壓上,測(cè)量差動(dòng)電壓。若需地鑒定并測(cè)量差動(dòng)開關(guān)信號(hào),使用差分探頭。您可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿劃開關(guān)裝置的電流,而無需干擾電路本身。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(dǎo)延遲。
TDSPWR2軟件的“開關(guān)損耗”功能可自動(dòng)計(jì)算功率波形,并根據(jù)捕獲的數(shù)據(jù)測(cè)量開關(guān)裝置的量小、zui大和平均功率損耗。在分析開關(guān)裝置的功率耗散時(shí),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(dǎo)通損耗）、Turn of Loss（關(guān)斷損耗）和Power Loss（功率損耗）。在分析開關(guān)裝置的功率耗散時(shí),這些數(shù)據(jù)非常有用。如果知道了接通和斷開時(shí)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。
開關(guān)裝置在導(dǎo)通時(shí)的zui小、zui大和平均功率損耗
在負(fù)載變化期間,SMPS的控制回路將變換開關(guān)頻率以驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載。圖5所示為負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)的功率波形。請(qǐng)注意,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí),開關(guān)裝置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乏味的任務(wù)。然而,TDSPWR2的測(cè)量能力,可自動(dòng)計(jì)算zui小功率損耗、zui大功率損耗和平均功率損耗,以此提供開關(guān)裝置的有關(guān)信息。
開關(guān)裝置的zui小、zui大和平均功率損耗
4、負(fù)載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗分析
在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,電源裝置有著持續(xù)的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。轉(zhuǎn)換時(shí)的功率損耗在負(fù)載變化期間亦有變化。所以測(cè)量中很重要的一步,是要捕獲整個(gè)負(fù)載變化事件,并對(duì)開關(guān)損耗進(jìn)行鑒定,以確保電源裝置不因這些而過載。
當(dāng)今,大部分設(shè)計(jì)人員都采用具有深度內(nèi)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(guān)損花點(diǎn)所生成的大量數(shù)據(jù),因?yàn)樗o開關(guān)裝置造成了很大的應(yīng)力。
TDSPWR2的HiPower Finder功能,可避免分析深度內(nèi)存數(shù)據(jù)所帶來的挑戰(zhàn)。在開關(guān)裝置上,使用HPower Finder功能獲得的典型功率波形之結(jié)果。
HiPower Finder功能的查找結(jié)果：開關(guān)裝置負(fù)載變化時(shí)的功率波形
HPower Finder的*能力。所示結(jié)果為:捕獲數(shù)據(jù)中的開關(guān)事件次數(shù)匯總和開關(guān)損耗zui大值/zui小值。此時(shí),您可輸入您感興趣的范圍,以此查看所需的開關(guān)損耗點(diǎn)。您只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點(diǎn),HiPower Finder便可在深度內(nèi)存數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點(diǎn)。找到該點(diǎn)后,您可用TDSPWR2在光標(biāo)位置周圍放大,以詳細(xì)觀察其活動(dòng)。這一功能,加上前面提及的開關(guān)損起測(cè)量功能,可使您迅速而有效地分析開關(guān)裝置的功率耗散情況。
計(jì)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(huì)影響功率效率,而且可造成熱耗散。
電感器的測(cè)試通常采用LCR。LCR使用一正弦波作為測(cè)試信號(hào)。在開關(guān)式電源裝置中，電感器將被加載上高壓、高電流開關(guān)信號(hào)，但都不是正弦信號(hào)。因此電源裝置設(shè)計(jì)人員需監(jiān)視實(shí)際通電電源裝置內(nèi)的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進(jìn)行的測(cè)試，可能不能反映實(shí)際情況。
觀察磁芯特征的zui有效方法是通過B-H曲線，因?yàn)锽-H曲線能迅速揭示電源裝置內(nèi)電感器的行為特征。TDSPWR2可使您用實(shí)驗(yàn)室的示波器,快速進(jìn)行B-H分析,無需使用昂貴的工具。
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(shè)計(jì)人員須先捕獲信號(hào),然后在個(gè)人PC機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步的分析。現(xiàn)在,您可通過TDSPWR2直接在示波器上進(jìn)行BH分析,即時(shí)觀察電感器行為特征。在做深入分析時(shí),TDSPWR2還可在示波器上提供BH圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標(biāo)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(cè)量功率損耗和電感器值。若需推導(dǎo)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(jìn)行功率損耗測(cè)量。這些結(jié)果之差乃是磁芯的功率損耗（磁芯損耗）。另外,在無負(fù)載情況下,主磁芯之功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內(nèi)的總功率損耗。這些測(cè)量值可揭示功率耗散區(qū)的信息。
結(jié)論
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(cè)量和分析軟件的開關(guān)裝置功率損耗、HiPower Finder和B-H分析功能,可較快地提供開關(guān)式電源裝置的各項(xiàng)測(cè)量值,從而使您能迅速查找功率耗散區(qū)域,并在動(dòng)態(tài)情況下觀察其功率耗散行為特征。
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