使用示波器进行开关电源测量

发布者:紫色小猫最新更新时间:2023-08-24 来源: elecfans关键字:示波器  开关电源测量  数学模型 手机看文章 扫描二维码
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在理想情况下,每个电源都应该按照为它设计的数学模型那样工作。但现实的情况却可能出现元器件有缺陷,负载变化,供电电源失真,甚至是放置环境的不同也会对结果造成影响,所以设计人员需要借助示波器进行电源测量。示波器的选择不仅要考虑合适的带宽、采样速率和足够的通道等因素,还要兼顾到采购成本。那么,该如何选择一款适合自己的示波器,以及在开关电源中都有哪些实用的测量技巧呢?


在使用示波器进行实际测试时,带宽、衰减比、浮地测量、共模抑制比、电流测量等如果测试不准确,将产生误差,这会对测量结果产生很大影响。为了避免测试误差,R&S的测试专家将为您一一解析以上参数,确保测试准确性。

带宽

带宽是大多数工程师在选择一款示波器时首先考虑的参数。通常认为应该选带宽尽量低的示波器,满足使用需求即可。但是随着第三代半导体技术的发展,高宽带示波器的需求明显变多了。那么在设计开关电源时,到底选择多大带宽的示波器进行测量合适呢?


由于电源的开关频率不太大,如果电源输出是方波而不是正弦波,那么对示波器的要求就不能从开关频率上来定义,而是要从上升沿时间上来定义。因为不同的频率响应曲线得到的数据不一样,比如高斯响应的上升沿时间为0.35/BW,平坦响应的上升沿时间为0.4-0.45/BW。所以为了保证信号的高保真度,要尽量保证信号带宽在示波器的带宽之内。根据上升时间实际值与测试值之间的关系公式可以看出,越大带宽的示波器,误差越小。考虑包括探头在内的测试系统,带宽越高的示波器和探头误差越小。虽然上升沿时间比较快的信号,对示波器和探头的要求比较高,但是在实际应用时,还要根据可接受的误差精度,选择合适带宽的示波器和探头。

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衰减比与噪声

示波器对输入信号电压有要求。如果被测信号的电压大于示波器允许的最大电压输入,那么必须先用探头对输入信号进行衰减,之后再送入示波器。如使用RTM3004示波器时,可以选择探头通道100μ-10K之间任意的衰减比,使用范围非常广。而且噪声只有670μV左右,适合精准测量。


浮地测量

出于对成本和安全的考虑,浮地测量一直是工程师的痛点。在测量LLC电路的下管驱动时,如果用示波器直接测,有可能出现漏电和短路的情况,通常有八种处理方法。


1是剪掉AC电源线地线,但是有安全隐患。

2是示波器加隔离变压器供电,但是有安全隐患。

3电源加隔离变压器供电,但是会额外占用一个通道。

4A、B轮流测试,但是没法判断死区。

5A采用普通无源探头、B采用差分探头,但是信号上升沿斜率可能不一样,且没法判断死区。

6采用多根无源探头(如果使用RTM系列示波器需要再采用MATH运算,如果使用RTE RTO系列示波器不需要额外再做运算),但是会额外占用一个通道。

7采用RTH系列隔离通道示波器,不用做运算,不会占用通道,推荐使用。

8采用两根差分探头,不用做运算,不会占用通道,推荐使用。

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共模抑制比

已知带宽越大,衰减的倍率越大。在理想状态下,同时测量上下管时,示波器上的上下管波形是一致的。而实际的波形中,由于探头的共模抑制比不够,会导致上下管的开关节点出现毛刺,非常影响测量。这里使用的是RT-ZHD16差分探头,它的共模抑制比在100K和1G时均为60dB左右,效果非常好。


电流测量

在很多时候,工程师在测量信号电压的同时,还需要查看电流波形。比如查看LLC电路的谐振电流的工作状态是否正常,这时候就需要借助电流探头进行电流测量。


实测演示

在实测部分,使用5G Sa/s,10-bit ADC的RTM3004示波器,RT-ZHD16差分探头,RT-ZC20电流探头进行LLC半桥电路的电流和电压测试。连接测试电路和测试仪器,示波器显示出上管Vds电压波形存在正常的轻微抖动。由于RTM3004示波器具有超高的直流偏置的功能,特别是分析直流上叠加的纹波时优势明显。因此放大波形,可看到波形不是完全平坦的,而是带有尖峰和圆弧。

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在LLC典型电路下,可以看到上管VDS信号和驱动信号的波形都非常干净,说明RTM3004示波器的共模抑制比很好。在放大谐振电流波形之后,可以看到波形有正常的抖动,使用示波器的精确触发功能,在谐振电流峰值触发波形,得到相对静止的波形。RTM3004示波器的触发灵敏度非常高,可以在临界点显示相对静止的波形,并捕捉到异常波形,为工程师正确调整电路提供参考。同时显示Vds和谐振电流的波形,可以看到关断瞬间谐振电流的波形。

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RTM3000 整合10位 ADC、10倍的存储深度和 10.1" 触摸屏以及适用于所有R&S探头的探头接口,是开关电源应用测试的理想之选。


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