使用4000系列数字荧光示波器进行电源测量

引言

电源分成许多不同的类型和规格，包括传统线性电源到高效的开关电源（SMPS）。所有这些电源都面临着复杂的动态工作环境。设备负载和需求在不同时间之间可能会大幅度变化。即使是“日常的”开关电源也必须能够承受突然出现的远远超过平均工作电流的峰值电流。

此外，必须检定电源的功率电平、输出纯度和到电源线的谐波反馈，以满足国家和地区电源质量标准。从历史上看，这些测量类型意味着使用数字万用表进行静态电流和电压测量，然后在计算器或PC上进行麻烦的计算。

今天，大多数工程师正转向示波器作为首选的电源测量平台。本应用指南将重点介绍怎样使用示波器进行基本电源测量。

准备电源测量

对习惯使用示波器进行高带宽测量的工程师来说，电源测量频率相对较低，似乎非常简单。事实上，电源测量也有很多高速电路设计人员从未见过的一系列挑战。经过开关设备的电压可能会非常大，而且是“浮动的”，即没有参考接地。信号的脉宽、周期、频率和占空比会变化，必须如实地捕获波形，分析其不理想特点。

示波器必须具有基本带宽和采样率，处理SMPS内部的开关频率。电源测量要求示波器至少有两条通道，一条用于电压测量，一条用于电流测量。提高电源测量简便程度和可靠性的工具也同样非常重要。下面是部分考虑因素：

• 是否提供安全精确的电压和电流探测解决方案？
• 是否有一种快速方式，调节探头的不同延迟？
• 是否有使探头偏置达到最小的有效流程？
• 仪器能否配备充足的记录长度，以高分辨率捕获很长的工频波形？

这些特点为有效执行电源设计测量奠定了基础。

安全准确地探测电压波形和电流波形

在使用数字示波器进行电源测量时，必须测量设备中的电压及电流。这一任务要求使用两只不同的探头：一只电压探头(通常是高压差分探头)，一只电流探头。图1显示了开关式电源(SMPS)中的典型测量方案。在范围在几kHz到几MHz的时钟驱动下，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)控制着电流。

测量经过MOSFET的电流相对简单，可以使用许多不同的泰克霍尔效应电流探头完成，如TCP0030。而测量电压则会面临更多的问题。MOSFET没有连接到交流电源接地或电路输出接地上。因此，不可能使用示波器进行接地参考电压测量，因为把探头的地线连接到任何MOSFET端子上都会使通过示波器接地的电路短路。

进行差分测量是测量MOSFET电压的最佳方式。在差分测量中，可以测量漏极到源极电压(VDS)，即MOSFET漏极和源极端子中的电压。VDS可以位于几十伏到几百伏电压的顶部，具体视电源的范围而定。

可以通过多种方法测量VDS：

• 浮动示波器的机箱接地。绝对不要采用这种方式，因为这种非常不安全，会给用户、被测设备和示波器带来危险。
• 使用传统无源单端探头，把地线相互连接起来，使用示波器的通道匹配功能。这种测量方式称为准差分测量。但是，无源探头与示波器的放大器结合使用时，不能提供充分阻塞任何共模电压的共模抑制比(CMRR)。尽管用户可能很想使用这种方法，因为可以使用已有的探头，但它并不能准确地测量电压。
• 使用商用探头隔离器，隔离示波器的机箱接地。探头的地线不再位于接地电位，可以把探头直接连接到测试点上。探头隔离器是一种有效的解决方案，但它成本高，通常是差分探头的2～5倍。
• 使用真正差分探头。高压差分探头(如泰克P5205)可以准确安全地测量VDS。

消除电压探头和电流探头之间的时滞

每只电压探头和电流探头都有自己的特性传播延迟。电流探头和电压探头之间的延迟差称为时滞，会导致幅度和定时测量不准确。

必须了解探头的传播延迟对最大峰值功率和面积测量的影响，因为功率是电压和电流的乘积。如果两个相乘的变量没有完美对准，那么会得到不正确的结果。在探头没有正确“校正时滞”时，测量精度会下降，如开关损耗。

消除探头偏置

差分探头一般会有较小的电压偏置。这会影响精度，在继续测量前必须消除这个电压偏置。大多数差分电压探头拥有内置的DC偏置调节控制功能，可以相对简单地消除偏置。

在预热后：

• 把示波器设置成测量电压波形的平均值。
• 选择实际测量中将使用的灵敏度(垂直)设置。
• 在不存在信号的情况下，把平均电平调节到0V(或尽可能接近0V)。

        类似的，必须在执行测量前调节电流探头。

在消磁后：

• 把示波器设置成实际测量中将使用的垂直灵敏度。
• 在不存在信号的情况下，关闭电流探头。
• 把DC平衡调节到零。
• 把平均值调节到0A或尽可能接近0A。

注意，某些探头(如支持TekVPI的TCP0030)内置了自动消磁/自动清零程序，用户只需在探头comp盒上按一个按钮就可以了。

记录长度在电源测量中的作用

示波器捕获测量期间事件的能力取决于使用的采样率及存储采集的信号样点的存储器的深度(记录长度)。存储器的填充速度与采样率直接成正比。在采样率设置得足够高时，存储器会迅速填充。对许多电源测量，必须捕获1/4周期或1/2周期(90°或180°)的工频信号；有些测量甚至要求捕获整个周期。泰克4000系列示波器标配10M样点的记录长度，可以轻松地满足这一需求。

然而，比长记录长度更重要的是提供能够利用所有这些数据的工具。4000系列的WaveInspector是一套为轻松处理长记录设计的工具。直观的前面板Zoom和Pan控制功能可以迅速查看采集的波形的任何部分。可以使用前面板Set/ClearMarks按钮，把书签放在波形上感兴趣的点，然后使用前面板Previous(<-)和Next(->)按钮浏览波形。最后，强大的搜索功能可以找到和标记整个长采集中发生的每个用户指定标准。例如，我们使用4000系列全部10M点记录长度，以4ns分辨率捕获AC电源两个周期期间的每个门驱动脉冲。这一采集包含大约4000个脉冲。在输入几个简单的搜索参数后，如通道1上的正脉冲，宽度小于2μs，门限为3.7V，WaveInspector会迅速识别满足标准的17个脉冲，并在格线顶部用白色三角形标出了这些波形。然后通过再次使用前面板Previous和Next按钮，我们可以迅速从一个事件跳到另一个事件。有了WaveInspector以前需要几小时完成的工作，现在只需几秒钟就可以完成。

开关式电源基础知识

大多数现代系统中流行的DC电源结构是开关式电源，这些电源因能够高效处理变化的负载而闻名。典型SMPS的电源“信号路径”包括无源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地减少了损耗元件的使用，如电阻器和线性模式晶体管，而重点使用没有损耗(理想情况下)的元件：开关式晶体管、电容器和磁性元件。

SMPS设备还包括一个控制段，其中包含脉宽调制稳定器、脉冲速率调制稳定器和反馈环路等单元。控制段可以有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，其中显示了包括有源单元、无源单元和磁性单元的电源转换段。

SMPS技术依托电源半导体开关设备，如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。这些设备提供了快速开关时间，能够耐受没有规律的电压峰值。同样重要的是，其在On状态或Off状态下消耗的功率非常小，实现了很高的效率，而生成的热量很低。开关设备在极大程度上决定着SMPS的整体性能。开关设备的关键测量项目包括开关损耗、平均功率损耗、安全工作区等。

基本参数测量

尽管开关设备的功耗非常重要，但电源设计人员还需关注电源操作的许多其他方面，如基本幅度和定时测量，这在历史上一直通过计算格数、然后乘以标度系数完成。现代示波器提供了许多自动测量功能，可以使用这些功能测量上述基本电源操作参数。4000系列包括下述自动测量。

• 幅度测量：幅度、高、低、最大值、最小值、RMS、峰到峰值、正/负过冲、平均值、周期平均值、周期RMS。
• 定时测量：周期、频率、上升/下降时间、正/负占空比、正/负脉宽、突发宽度、延迟、相位。
• 综合测量：面积和周期面积。

幅度测量适用于测量输入和输出电压，如VRMS、平均值、峰到峰值和周期RMS。定时测量可以帮助检定驱动信号行为，如脉宽和频率。综合测量计算电源波形下的面积，确定能量损耗。通过打开测量统计，可以确定长期变化，查看测量期间的最小值、最大值、平均值和标准偏差。测量瞬时功率

检定开关晶体管中的瞬时功耗是几乎每个电源设计项目的一部分。选择能够在最坏操作情况下经济可靠地运行的元件至关重要(如图1中的电源MOSFET)。泰克TekVPI电流和电压探测解决方案为这些测量提供了理想选择。除提供安全测量解决方案外，它们还提供了非常简便的时滞校正功能。通过TekVPI探头，可以在工厂中测量传播延迟，然后把传播延迟存储在探头的内存中。在TekVPI探头连接到4000系列时，它们会自动设置相应的时滞校正值，在电源测量中实现最大精度。也可以使用每条通道垂直菜单中的时滞校正功能，手动校正非TekVPI探头的时滞。TekVPI接口进一步简化了电源测量，它自动为电压波形和电流波形及以瓦特为单位的演算波形提供正确的标度和单位。4000系列只需几个简单的步骤，就可以测量瞬时功率：

• 连接探头；
• 按Autoset，示波器自动调节垂直设置、水平设置和触发设置，以查看波形；
• 把演算波形定义为Ch1*Ch2；
• 打开Area测量，测量曲线下的面积(能量)；
• 光标读数表明瞬时功率。通过使用测量选通，我们可以把Area测量限制在特定区域，查看与MOSFET的启动时间(Ton)和关闭(Toff)时间有关的功率损耗。

安全工作区

晶体管的安全工作区(SOA)定义了设备在不会自行损坏的情况下工作的条件。如果超过这些限制，晶体管可能会失效。SOA还包括其他设备限制，如最大电压、最大电流、功率、平均联接温度、二级故障等。

开关设备制造商的产品技术资料会概括对开关设备的某些限制。其目标是保证开关设备将容忍电源在最终用户环境中必须处理的工作边界。SOA测试变量可能包括各种负荷方案、工作温度变化、高和低线路输入电压等。可以使用4000系列，在XY画面中绘制电压对电流曲线，查看SOA。

测量线路谐波

开关电源一般会生成以奇数阶为主的谐波，直到电网。其影响具有累积性特点，随着连接到电网的开关电源越来越多(如办公室中增加更多的台式电脑)，返回电网的谐波失真的总百分比会上升。由于这种失真会导致热量在电网的线缆和变压器中积聚，因此必须使谐波达到最小。业内制定了IEC61000-3-2等法规标准，监控来自特定非线性负荷的电源质量。

由于标配快速傅里叶变换(FFT)功能，4000系列提供了杰出的谐波分析工具。具有FFT功能的示波器的经济性要远远高于购买专用谐波分析仪，而且允许使用熟悉的仪器来做另一项工作。4000系列采用FFT，以类似频谱分析仪的方式显示信号频率成分。它甚至可以在屏幕上同时显示信号波形及频域等效波形，这通常很有裨益。可以使用MATH按钮菜单下的FFT特定菜单，简便地控制4000系列FFT。可以在活动信号上或调用的存储波形上执行FFT。

这一程序并不比进行普通波形测量困难。在这种情况下，由于信号是一个重复的周期波形(而不是某种瞬态信号)，因此触发和显示信号非常简单。应至少显示五个周期，以保证良好的频率分辨率，垂直标度应设置成信号占用显示屏上尽可能多的垂直格。用户配置的参数包括垂直标度和FFT窗口格式。可以使用矩形窗口、Hamming窗口、Hanning窗口和Blackman-Harris窗口，每种口适用特定的信号类型。对周期重复的信号，如本例中的信号，Hamming窗口通常是最佳窗口。FFT显示的垂直标度可以是线性标度或对数标度。

利用4000系列示波器对电源负荷电流的谐波进行分析，可以使用光标，测量各个频率成分或频率的幅度。在许多电源设计项目中，非常重要的一个部分是证明满足电源质量法规标准。4000系列提供了全系列存储和打印功能，帮助用户完成这一工作。专用HARDCOPY按钮把屏幕截图发送到连接示波器USB端口的打印机上，还可以使用各种格式把图像保存到U盘或CompactFlash卡中。

调试电源

数字化示波器在电源测量领域中非常常见，但4000的数字荧光采集技术在调试时有着很大的差异，特别是在识别开关电源的调制效应过高时。4000系列的波形捕获速率要比典型的数字存储示波器(DSO)高出许多倍。在考察调制效应时，这提供了两个优势。首先，示波器在大多数情况下是活动的，只用很少的时间处理波形进行显示。因此，示波器捕获调制的机会提高了数百倍。其次，数字荧光显示可以更简便地实时查看被调制波形。4000显示屏会加强信号曲线经过频次最高的区域，这在很大程度上与模拟示波器类似。调制要比连续重复的主要波形暗。

可以使用4000系列简单地查看调制影响。图3显示了控制着电源中电流模式控制环路输出的被调制信号。调制在控制环路的反馈系统中具有重要意义。但是，调制太多会导致环路变得不稳定。注意，在调制频次较低的区域中，波形较暗。

用4000系列捕获瞬态信号也非常简单。其边沿触发功能为设置跳变沿、电平、耦合和触发延迟提供了所需的全部灵活性。如果被测电源已经集成到系统中，可能要触发系统中其他地方的“问题”信号，监测电源上的测试点，查看是否有同时发生的瞬态信号。

当然，电源的DC输出还必须干净，没有瞬态信号。4000系列的滚动模式与峰值检测功能相结合，为查看低速信号或DC电平上的畸变提供了最佳的工具。滚动模式从左到右慢慢地滚动曲线，这在很大程度上与带状记录纸、记录器类似。它以非常慢的扫描速度生成清楚明亮的曲线。峰值检测功能允许示波器捕获最窄1ns的毛刺，甚至支持较低的扫描速度。这两种功能相结合，得到了一个稳定有效的曲线，可以立即揭示瞬态信号。

总结

电源测量不再是功率计和谐波分析仪等专用工具的专属领地。4000系列数字荧光示波器与各种电压探头和电流探头相结合，为现代开关式电源提供了安全的测量和调试解决方案。