為了滿足效率和外形尺寸要求，開關(guān)模式電源制造商不斷采用新的半導(dǎo)體和電路拓?fù)洌瑫r還須堅持遵守更高的電源完整性標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計人員必須對開關(guān)模式波形進(jìn)行更為復(fù)雜的測量，而這樣一來，就會延長測試時間，增加成本。
為了縮短測試時間，測試設(shè)備制造商開發(fā)了各種硬件和軟件，它們可以配合使用，實現(xiàn)眾多功能和復(fù)雜分析的自動化。Teledyne LeCroy 的 HDO4104示波器與功率分析儀軟件就是硬件和軟件結(jié)合使用的一個很好例子。本文將介紹可如何配合使用它們來執(zhí)行關(guān)鍵性分析，從而縮短電源的開發(fā)和測試時間。
效率、重量、尺寸是驅(qū)動創(chuàng)新設(shè)計和測試方法發(fā)展的動因
開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換，無論是在電源、逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器還是電機控制器中，在特定功率電平下，都具備提高功率效率更高以及減小尺寸和重量的優(yōu)勢。但是，這些特性也會帶來弊端，包括增加復(fù)雜度和提高元器件應(yīng)力。
為了解決這個問題，制造商開始考慮使用新的半導(dǎo)體類型、更多樣的電路拓?fù)湟约案叩碾娫赐暾詷?biāo)準(zhǔn)。不過，這就需要對一些關(guān)鍵特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，例如：
功率損耗
安全工作區(qū)域 (SOA)
控制回路裕量
線路電源完整性
電源性能
要執(zhí)行這些類型的分析，就需要提高必要的開發(fā)和測試工程專業(yè)技術(shù)水平，而這又會增加測試時間以及提高最終產(chǎn)品成本。HDO4104 和功率分析儀軟件正是為了簡化這些類型的分析而設(shè)計的。
HDO4104 是一款帶觸摸屏的高分辨率 12 位示波器。功率分析儀軟件利用示波器的觸摸屏，創(chuàng)建專用的用戶界面。借助自動測量功能，我們可以結(jié)合使用硬件和軟件，從而簡化關(guān)鍵電源開關(guān)器件測量、控制回路調(diào)制分析以及線路電源諧波測試。Teledyne LeCroy 公司還提供各種配件，包括差分放大器、差分探頭、電流探頭和抗扭斜裝置。
使用 HDO4104 進(jìn)行器件分析
開關(guān)模式電源通常使用電源器件的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 來控制輸出電壓。電源器件中的電壓和電流會在導(dǎo)通和斷開狀態(tài)之間進(jìn)行切換。波形的移相規(guī)律是當(dāng)電壓為高時，電流為低。因此，開關(guān)器件耗散的功率很小：只有在導(dǎo)通和斷開狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，才會耗散功率（圖 1）。
圖 1： 在使用具有功率分析功能的 Teledyne LeCroy HDO4104 對開關(guān)模式電源進(jìn)行分析的過程中，將會采集功率晶體管的電壓，以及流經(jīng)晶體管的電流。然后通過這些值來計算和顯示功率耗散。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
上圖顯示了使用功率分析軟件的基本器件測量。該圖底部的對話框顯示了設(shè)置及其組織方式，因此可以從左向右進(jìn)行操作。首次啟用電源分析操作時，用戶選擇信號源。在本例中，我們使用了 Teledyne LeCroy DA1855A差分放大器和 CP030電流探頭。
下一步是選擇四類分析中的一種。隨后，我們再選擇與每種分析類型相關(guān)的特定測試。在圖 1 中，我們選擇的分析類型是“Device”（器件），顯示的測試值是器件損耗。我們使用開關(guān)器件電壓（頂部的黃色跡線）和流經(jīng)開關(guān)器件的電流（底部的紅色跡線），來計算其功率耗散（底部的黃色跡線）。界面使用了彩色覆蓋層，可自動顯示器件導(dǎo)電和關(guān)閉的時間段。
圖形下方的表格列出了工作周期內(nèi)每個階段的器件功率耗散。這些階段是導(dǎo)通、導(dǎo)電、關(guān)閉、關(guān)斷狀態(tài)。損耗可通過功率或能量損耗予以衡量。所示能量損耗以焦耳為單位。請注意，這一計算乃基于所采集的波形自動進(jìn)行的。
對話框上還有一些其他選項卡，分別用于輸入設(shè)置、區(qū)域識別以及功率跡線縮放。輸入設(shè)置非常重要，因為它可用于識別示波器使用的電壓和電流探頭。最重要功能是對這些探頭的抗扭斜控制，以便電流和電壓測量保持時間同步。
用戶提示： 抗扭斜對于精確測量功率損耗至關(guān)重要。如果關(guān)斷狀態(tài)的功率損耗接近零，則表示已正確設(shè)置抗扭斜。在示例中，抗扭斜設(shè)置是正確的，關(guān)斷狀態(tài)的功率損耗不到其他損耗讀數(shù)的千分之一。
繪制 SOA 圖以確認(rèn)工作裕量
每個開關(guān)器件的電壓、電流和功率都有最大限值，這些限值由器件制造商規(guī)定并會列于其技術(shù)規(guī)格書中。要確保電源的可靠性，就不能超過這些限值。安全工作區(qū) (SOA) 圖有助于確認(rèn)工作裕量，包括電路工作的所有方面。SOA 圖是器件電壓及流經(jīng)器件的電流的 X-Y 軸圖。圖 2 所示為開關(guān)模式電源的功率 FET 的電流和電壓波形圖，以及 30 個電源周期的 SOA 圖。
圖 2： 右側(cè)的安全工作區(qū)圖記錄了多個電源周期的電流和電壓的軌跡。最大電壓點位于該圖的最右端。最大電流位于頂部。兩個點均與測試遮罩交叉，并以紅色高亮顯示標(biāo)記。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
SOA 圖的垂直軸表示的是電流，水平軸為電壓。這兩個信號的逐樣本乘積就是器件的瞬時功率耗散。在 SOA 圖左下角的點，電流和電壓均為零。最右側(cè)的點就是器件的最大電壓。垂直的極限點就是流經(jīng)器件的最大電流。
SOA 圖會顯示在測試遮罩內(nèi)，可通過以下四個點描述：
用戶在圖 2 所示的對話框中輸入這些點，輸入值為制造商規(guī)定的被測設(shè)備的限值。如果 SOA 圖與測試遮罩交叉，則有一個紅色圓圈突出顯示該樣本。這個圓圈表示超過了遮罩測試容限。圖中顯示了兩個此類交叉的示例。
SOA 圖主要涉及到電壓、電流和功率最大值，而 FET 動態(tài)導(dǎo)通電阻 (Rds(ON)) 的測量則需要對 FET 飽和電壓和通道電流進(jìn)行詳細(xì)測量（圖 3）。
圖 3： FET 動態(tài)導(dǎo)通電阻 (Rds(ON)) 是根據(jù)飽和電壓與通道電流的比率計算得出的。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
此測量可能難以進(jìn)行，因為在存在幾百伏特的電壓擺幅的情況下，示波器只會發(fā)現(xiàn)幾伏特的信號電平。
一個好的差分放大器，例如 Teledyne LeCroy 的 DA1855A，可以充當(dāng)信號調(diào)節(jié)前置放大器，以便更加簡單準(zhǔn)確地進(jìn)行測量。DA1855A 還具有快速過驅(qū)恢復(fù)功能。DA1855A 使用了 ÷ 100 探頭，因此可在 100 ns 之內(nèi)穩(wěn)定至 100 mV 范圍內(nèi)，以來自 400 伏特輸入信號的輸入作為參考輸入。這樣一來，MOSFET 的信號就能在屏幕之外過驅(qū)，而垂直標(biāo)度則可用于縮放感興趣的部分。請注意，在示波器輸入上直接嘗試這種技術(shù)，通常會導(dǎo)致儀器的前端放大器飽和。
借助 DA1855A 的快速過驅(qū)恢復(fù)功能，用戶可以過驅(qū)信號，而無需擔(dān)心跡線回到屏幕上時出現(xiàn)錯誤。因此，用戶能夠獲取飽和電壓的精確細(xì)節(jié)。
要計算通道導(dǎo)通電阻，需要采集 FET 飽和電壓及其相應(yīng)的通道電流。在這里，只需應(yīng)用歐姆定律，即可計算出電阻值。在電源周期的導(dǎo)電階段，功率分析儀軟件可隔離 FET 電壓，并使用正確的電壓和電流段自動執(zhí)行測量。在圖 3 所示的示例中，結(jié)果為 1.1 Ω。
與器件相關(guān)的其他測試包括電壓和電流波形的時間變化率（dV/dt 和 dI/dt）。它顯示了器件開啟和關(guān)閉時的電壓和電流的時間變化率。
器件測試還可延展到 B-H 曲線分析形式的磁測量。B-H 曲線可顯示變壓器等磁性器件的飽和狀態(tài)。它是磁通密度 (B) 與磁場強度 (H) 的曲線圖。
器件分析工具箱可提供與開關(guān)器件和重要磁性元器件相關(guān)的關(guān)鍵問題的完整視圖。下一個測量挑戰(zhàn)是開關(guān)模式控制回路。
控制回路分析
開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器使用反饋來控制輸出電壓或電流，并將輸出保持在可接受限值范圍內(nèi)。大多數(shù)開關(guān)模式電源會在其控制回路中使用 PWM。增加驅(qū)動脈沖的寬度可提高輸出電壓，減小該寬度則可降低輸出電壓。通過控制回路分析，我們可以近距離研究這種反饋回路，特別是在瞬態(tài)條件期間。但是，要分析回路動態(tài)，我們必須能夠解調(diào) PWM 信號。
功率分析儀軟件提供了簡單易用的調(diào)制分析功能，可以測量每個脈沖的寬度或占空比，并可繪制脈沖寬度或占空比隨時間變化的圖示。該工具極為便利，可以直觀地查看整個控制回路的時域響應(yīng)，包括控制 IC 中脈沖寬度調(diào)制器添加的任何時間常數(shù)。為了闡明這種概念，圖 4 顯示了階躍負(fù)載變化對開關(guān) FET 的柵極驅(qū)動信號的脈沖寬度的影響。
圖 4： 顯示了柵極驅(qū)動信號的控制回路對負(fù)載的階躍變化的響應(yīng)。控制回路分析圖顯示了控制器響應(yīng)，它通過改變柵極驅(qū)動信號的占空比來管理負(fù)載變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
負(fù)載電流，也就是上方網(wǎng)格中的跡線 C2（紅色），具有 500 mA 的正階躍。柵極驅(qū)動信號可在跡線 C1（黃色）上采集，并會顯示控制器對負(fù)載變化的響應(yīng)，表現(xiàn)為柵極驅(qū)動脈沖的寬度變化。控制分析跡線（藍(lán)色）顯示了控制回路對負(fù)載電流的階躍變化的動態(tài)響應(yīng)。
中心網(wǎng)格中的跡線是柵極驅(qū)動信號的水平縮放。縮放的部分在柵極驅(qū)動跡線上突出顯示，目的是顯示它相對于負(fù)載變化的位置。用戶可在縮放跡線上非常清晰地查看脈沖寬度變化。
跡線網(wǎng)格下方的測量參數(shù)表顯示了各個參數(shù)的最新值、平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差，包括柵極驅(qū)動信號的頻率周期、寬度和占空比。該表量化描述了負(fù)載變化前后的柵極驅(qū)動信號變化。在本例中，關(guān)鍵值是占空比的最小值、最大值和最新值。最小值是負(fù)載變化之前的初始占空比。在這一點，占空比為最小值，僅為 4.8%。在控制分析圖的頂峰，占空比為 15.5%，也就是占空比參數(shù)的最大值。采集歷史記錄中的占空比定值就是占空比的值。它是波形中的最新占空比值讀數(shù)，其值為 8.9%。
也可使用控制回路分析類型，來跟蹤電源啟動或關(guān)斷過程中的 PWM 穩(wěn)壓器響應(yīng)。圖 5 顯示了電源的啟動。跡線，從上到下依次是漏源極電壓、漏電流、FET 的柵極驅(qū)動電壓以及柵極驅(qū)動信號的占空比。底部的跡線顯示了柵極驅(qū)動占空比在整個啟動過程中的變化。
圖 5： 監(jiān)控電源啟動過程中的 PWM 占空比變化。底部的跡線（深藍(lán)）顯示了柵極驅(qū)動占空比在整個啟動過程中的變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
選擇示波器時，設(shè)計人員必須明白，要對電源轉(zhuǎn)換器啟動進(jìn)行分析，就需要具有長采集波形存儲器的示波器。本例所示為 10 毫秒的啟動采集，使用了 2.5 兆樣本的采集波形存儲器。Teledyne LeCroy 的 HDO4000 系列示波器能夠提供多達(dá) 50 兆樣本的采集波形存儲器。最大采集時間取決于存儲器長度和采樣周期。在要求的最小采樣率下采集相同數(shù)據(jù)，可為所有四個通道提供 10 秒的采集窗口。
目前我們已經(jīng)分析了電源轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)。接下來的兩個分析功能主要針對開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)，也就是線路側(cè)。
線路電源分析
線路電源分析包括兩種測試功能，即功率測量和諧波分析。功率測量可確定線路電壓和電流。它們還可測量和顯示實際功率、視在功率和無功功率。另外，用戶可以選擇計算并顯示功率因數(shù)、相位角和波峰因數(shù)。“諧波”測試選項旨在測量線路諧波，并驗證其是否符合 EN 61000-3-2 等國際標(biāo)準(zhǔn)。這種合規(guī)性測試極其重要，可以確保不會將過大的諧波功率從開關(guān)模式器件回注到電源。
線路諧波分析如圖 6 所示。除了通道 C1 和 C2 中的線路電壓和電流之外，60 Hz 線路電流的前 20 個奇次諧波顯示在頻譜顯示中。藍(lán)色覆蓋區(qū)顯示了 EN 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性級別。跡線下方的表格列出了所有這些諧波，包括電平、頻率以及合規(guī)情況。
圖 6： 線路諧波分析使用頻譜分析方法來評估線路電流的諧波含量。根據(jù) EN 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)，對照內(nèi)置的測試遮罩，對諧波幅值進(jìn)行測試。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
在介紹完開關(guān)器件、控制回路、功率損耗和輸入功率之后，我們要討論的功率分析的最后一個因素是整體性能。
性能分析
性能分析包括兩項重要測試。第一項是器件效率。此項測試可測量被測開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的總輸入和輸出功率，然后使用這些信息來計算器件效率。
第二項性能測試是輸出紋波。這是非常重要的電源完整性測量，因為如果電源總線上的紋波過多，可能會導(dǎo)致時鐘和數(shù)據(jù)信號的額外抖動（圖 7）。
圖 7： 輸出紋波是非常重要的電源完整性測量。紋波分析可顯示時域和頻域中的輸出紋波。左側(cè)跡線即為紋波的時序圖。右側(cè)的網(wǎng)格包含紋波的頻譜。最左側(cè)表格列出了紋波的頻率最高的十個元器件。 （圖片來源： Digi-Key Electronics）
圖 7 顯示了輸出電流（左上角跡線）和交流耦合電壓（左側(cè)中間）。輸出電壓的縮放圖顯示了時域中的擴展紋波視圖。我們可以清晰地看到，此紋波具有很高的周期性。游標(biāo)測量基本周期為 450 kHz。紋波參數(shù)列出了峰峰波紋電壓為 65.2 毫伏。
右側(cè)網(wǎng)格中的跡線是紋波電壓的頻譜。左上方的表格列出了幅度最大的十個頻率元器件的頻率和幅度。它們還在頻譜顯示上進(jìn)行了標(biāo)記。了解紋波的頻率成分，有助于用戶確定可能的信號源。
結(jié)論
由于各種應(yīng)用要求器件具有更高的效率、更小的尺寸以及更低的成本，因此功率測量變得日益復(fù)雜。正如本文所述，Teledyne LeCroy 的 HDO4104 示波器與功率分析儀軟件配合使用，可以顯著簡化測試，縮短測試時間。該示波器提供了專用的用戶界面和自動測量功能，因此可以簡化電源開關(guān)器件的關(guān)鍵測量、PWM 控制回路分析、線路電源效率和諧波測試。此外，Teledyne LeCroy 還提供眾多探測解決方案，可輕松快速地設(shè)置電壓和電流。
使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和軟件，現(xiàn)在就可以輕而易舉地進(jìn)行功率測量。
