用數(shù)字熒光示波器對開關(guān)電源功率損耗進(jìn)行精確分析

隨著電子產(chǎn)品對開關(guān)電源需求不斷增長，下一代開關(guān)電源的功率損耗測量分析也越來越重要。本文介紹如何將數(shù)字熒光示波器和功率測量軟件結(jié)合起來，迅速測定開關(guān)電源的功率損耗，并輕松地完成各項(xiàng)所需的測量和分析任務(wù)。

高速GHz級處理器需要新型開關(guān)電源(SMPS)提供高電流和低電壓，這給電源設(shè)計(jì)人員在效率、功率密度、可靠性和成本等方面增加了新的壓力。為了在設(shè)計(jì)中考慮這些需求，設(shè)計(jì)人員紛紛采用同步整流技術(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)，但這些技術(shù)也隨之帶來了一些新的難題，如開關(guān)上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC等。

從“關(guān)”(導(dǎo)通)至“開”(關(guān)斷)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間，電源會出現(xiàn)較高的功率損耗；而處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)之中開關(guān)功率損耗則較少，因?yàn)橥ㄟ^電源的電流或電源上的電壓很小。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負(fù)載電流，但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。

功率損耗分析

由于開關(guān)電源內(nèi)部消耗的功率決定了電源熱效應(yīng)的總體效率，所以測定開關(guān)裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項(xiàng)極為重要的測量工作，它可測定功率效率和熱耗散。

設(shè)計(jì)人員在精確測量和分析各種設(shè)備的瞬時功率損耗時，會面臨下面一些困難：

* 需要測試裝置對功率損耗進(jìn)行精確測量

* 如何校正電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲所造成的誤差

* 如何計(jì)算非周期性開關(guān)變化的功率損耗

* 如何分析負(fù)載動態(tài)變化期間的功率損耗

* 如何計(jì)算電感器或變壓器的磁芯損耗

測試裝置

圖1為開關(guān)變換簡化電路圖，MOSFET場效應(yīng)功率晶體管在40kHz時鐘激勵下控制著電流。圖中的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量。因?yàn)槿舭烟筋^的接地導(dǎo)線連接在MOSFET任何端子上，都會使該點(diǎn)通過示波器與地短路。

在這種情況下，差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。通過差分測量，可測定VDS即MOSFET漏極和源極的電壓。VDS可在電壓之上浮動，電壓范圍為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍?？赏ㄟ^下面幾種方法測量VDS：

1. 懸浮示波器的機(jī)箱地線。建議不要使用，因?yàn)檫@樣不安全，對用戶、被測設(shè)備和示波器都有危險。

2. 使用兩個常規(guī)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)行測量。這種測量法叫做準(zhǔn)差分測量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結(jié)合使用，但缺少避免共模電壓“共模抑制比”(CMRR)功能。這種設(shè)置不能準(zhǔn)確測量電壓，不過可使用已有的探頭，不必購買新配件。

3. 購買一個探頭隔離器隔離示波器機(jī)箱接地。探頭接地導(dǎo)線將不再為接地電位，并可將探頭與測試點(diǎn)直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但比較昂貴，其成本是差分探頭的二至五倍。

4. 在寬帶示波器上使用真正的差分探頭?？赏ㄟ^差分探頭精確地測量VDS，這也是最好的方法。

通過MOSFET進(jìn)行電流測量時，先將電流探頭夾好，然后微調(diào)測量系統(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)閉被測設(shè)備，待示波器和探頭完全預(yù)熱后，可設(shè)定示波器測量電壓和電流波形的平均值。敏感度設(shè)置應(yīng)使用實(shí)際測量所用的數(shù)值，在沒有信號的情況下，調(diào)整微調(diào)電容器，將每個波形的零位平均值調(diào)至0V。這一步驟可最大限度減少因測量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導(dǎo)致的測量誤差。

校正傳導(dǎo)延遲誤差

在開關(guān)電源內(nèi)進(jìn)行功率損耗測量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號，以消除傳導(dǎo)延遲，這一點(diǎn)很重要，該過程稱作“偏移校正”。傳統(tǒng)方法是先計(jì)算電壓和電流信號之間的時滯，然后再以手動方式通過示波器的偏移校正范圍調(diào)整時滯。但這是一個非常冗長乏味的過程。

一個較簡單的方法是采用一種偏移校正夾具并選擇合適的示波器，如TDS5000系列示波器。進(jìn)行偏移校正時，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測試點(diǎn)上，偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號激勵，如果需要還可用外部信號源激勵偏移校正夾具。

另外在示波器上還可使用相應(yīng)的測量軟件，利用其偏移校正能力自動設(shè)置示波器并計(jì)算由于探接造成的傳導(dǎo)延遲。偏移校正功能隨后可使用示波器偏移校正范圍，對時滯進(jìn)行自動補(bǔ)償，測試設(shè)置準(zhǔn)備好后就可開始進(jìn)行精確測量了。圖2顯示了偏移校正之前和之后的電流和電壓信號。

非周期性開關(guān)信號功率損耗

如果發(fā)射極或漏極有接地，測量動態(tài)開關(guān)參數(shù)則較為簡單，但需在浮動電壓上測量差動電壓。若要精確測定并測量差動開關(guān)信號，最好使用差分探頭，可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿過開關(guān)的電流而無需干擾電路本身，此時也可用測量軟件的自動偏移校正功能去除上述傳導(dǎo)延遲。

測量軟件的“開關(guān)損耗”功能可自動計(jì)算功率波形，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)測量開關(guān)的最小、最大和平均功率損耗，在分析開關(guān)功耗時，這些數(shù)據(jù)非常有用。如圖3所示，數(shù)據(jù)顯示為Turn on Loss、Turn off Loss和Power Loss。如果知道了接通和斷開時的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功耗。

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)動輸出負(fù)載。請注意，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)換時，開關(guān)裝置的功耗也隨之變化，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很枯燥的任務(wù)，不過測量軟件的高級測量功能可自動計(jì)算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，為用戶提供開關(guān)電源的相關(guān)信息。

負(fù)載動態(tài)變化功耗分析

在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，電源裝置會連續(xù)發(fā)生動態(tài)負(fù)載變化，所以測量中很重要的一步是要捕獲整個負(fù)載變化事件，并對開關(guān)損耗進(jìn)行測定，以確保電源裝置不會因這些原因而過載。

當(dāng)今大部分設(shè)計(jì)人員都采用具有深度存儲(2MB)和高取樣率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的難題，是如何分析在各開關(guān)損耗點(diǎn)上所生成的大量數(shù)據(jù)，這時也可利用測量軟件加以解決，圖4是在開關(guān)電源上通過測量軟件獲得的典型功率波形結(jié)果。

在圖中可以看到捕獲數(shù)據(jù)中的開關(guān)事件次數(shù)和開關(guān)損耗最大值/最小值，此時用戶可輸入感興趣的范圍，以此查看所需的開關(guān)損耗點(diǎn)。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點(diǎn)，軟件便可在深度存儲數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點(diǎn)，找到后在光標(biāo)位置周圍放大，以詳細(xì)觀察其活動。該功能加上前面提及的開關(guān)損耗測量功能可使用戶迅速有效地分析開關(guān)裝置的功率耗散情況。

電磁元件的功率損耗

另一種減少功率損耗的方法與磁芯有關(guān)。從典型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，不僅會影響功率效率，而且可造成熱耗散。

電感器的測試通常采用LCR計(jì)，它使用正弦波作為測試信號。但在開關(guān)電源里，電感器加載的是高壓高電流開關(guān)信號，都不是正弦信號，因此電源設(shè)計(jì)人員需監(jiān)測實(shí)際通電的電感器或變壓器特性，此時用LCR計(jì)進(jìn)行的測試可能無法反映實(shí)際情況。

觀察磁芯特征最有效方法是通過B-H曲線，因?yàn)锽-H曲線能迅速揭示電源內(nèi)電感器的特性。在電源接通和穩(wěn)態(tài)期間，電感器和變壓器表現(xiàn)出不同的行為特征。在過去，若想查看和分析B-H特征，設(shè)計(jì)人員須先捕獲信號，然后在個人電腦上作進(jìn)一步的分析，而現(xiàn)在可通過測量軟件直接在示波器上進(jìn)行B-H分析，即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時，該軟件還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標(biāo)鏈接(圖5)。

B-H分析能力還可在實(shí)際SMPS環(huán)境中自動測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，可在主磁芯及次磁芯上進(jìn)行功率損耗測量，結(jié)果之差就是磁芯的功率損耗(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，這些測量值可進(jìn)一步揭示功率耗散區(qū)的信息。