巧用示波器的計(jì)算功能分析熱插拔電路

盡管數(shù)字示波器是電路實(shí)驗(yàn)室中最常見的儀器，但有些功能可能并不為人所熟知，數(shù)字示波器的計(jì)算功能就是其中之一。其實(shí)利用數(shù)字示波器的計(jì)算功能可以簡(jiǎn)化對(duì)熱插拔和負(fù)載切換電路的分析。本篇應(yīng)用筆記將介紹如何利用示波器獲取MAX5976熱插拔電路中MOSFET功耗和負(fù)載電容的精確值。

數(shù)字示波器的計(jì)算功能是數(shù)字示波器最有趣的功能之一，可以簡(jiǎn)化和擴(kuò)展對(duì)熱插拔與負(fù)載切換電路的分析。巧用示波器的計(jì)算功能可以得出負(fù)載電容或MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的瞬時(shí)功耗，這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和分析熱插拔與負(fù)載切換電路非常有意義，如果沒有示波器計(jì)算功能，這類參數(shù)只能做近似估計(jì)。

本篇應(yīng)用筆記介紹如何利用示波器檢測(cè)熱插拔電路MOSFET功耗和負(fù)載電容的精確值。

設(shè)置示波器

簡(jiǎn)化起見,我們用圖1所示的MAX5976熱插拔電路來做演示，其內(nèi)置的檢流功能和帶驅(qū)動(dòng)的MOSFET構(gòu)成了一個(gè)完整的電源切換電路 (下面的測(cè)試方法同樣適用于由分立元件搭的熱插拔控制電路)。按圖1所示方式將示波器探頭連至熱插拔電路，示波器即可獲取計(jì)算所需信號(hào)，兩個(gè)電壓探頭分別接輸入和輸出，用于檢測(cè)MOSFET兩端壓降，電流探頭用來檢測(cè)流過MOSFET的電流。



圖1 示波器探頭連至MAX5976或MAX5978熱插拔電路，示波器則利用測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

這個(gè)基本連接方式同樣適用于非集成的熱插拔電路。測(cè)試輸入和輸出電壓的探頭分別接到MOSFET的前面和后面(MAX5976的MOSFET在內(nèi)部，MAX5978則是外置MOSFET)，電流探頭要與電路檢流電阻串聯(lián)。為了測(cè)到流經(jīng)開關(guān)元件的精確電流值，電流探頭應(yīng)該放在輸入電容后，輸出電容前的位置。

MOSFET功耗

開關(guān)器件(通常是n溝道 MOSFET)的功耗等于漏極/源極電壓差(VDS)與漏極電流(ID)的乘積。圖1中，VDS是通道2和通道1的差，ID是電流探頭直接測(cè)量的結(jié)果。我們用的示波器(Tektronix® DPO3034)有一個(gè)專門的計(jì)算通道，可以通過如下(圖2)菜單配置。



圖2 DPO3034 數(shù)字示波器的高級(jí)計(jì)算菜單可以直接編輯計(jì)算公式

通過簡(jiǎn)單編輯一個(gè)公式,實(shí)現(xiàn)通道1與通道2之差乘以電流探頭測(cè)得的值，從而得出MOSFET功耗。當(dāng)熱插拔電路使能后，輸出電壓以dV/dt的斜率接近輸入電壓，流經(jīng)MOSFET的輸出電容充電電流(ID)為:

ID = COUT × dV/dt

當(dāng)輸出電容為360µF，VIN = 12V時(shí)，MOSFET導(dǎo)通瞬間示波器屏幕截圖如圖3a所示。MAX5976將瞬時(shí)浪涌電流限制在2A。注意功率波形是一個(gè)下降的斜坡，開始于12V × 2A = 24W，當(dāng)輸出電壓升至12V時(shí)降至0W，熱插拔電路以恒定電流為負(fù)載電容充電，這正是我們所期望的。[!--empirenews.page--]

如此方式測(cè)得的功率波形可用來判斷MOSFET是否工作在其安全工作區(qū)(SOA),或根據(jù)數(shù)據(jù)資料的相關(guān)圖表估算MOSFET結(jié)溫的溫升。根據(jù)實(shí)測(cè)波形直接進(jìn)行計(jì)算的誤差要小很多。另外，即使如圖3b所示的浪涌電流和dV/dt都不是常數(shù)，功耗的測(cè)量波形依然精確。


圖3a 圖1電路中的MOSFET功耗 (紅色波形)，COUT=360µF，浪涌電流被限制在2A。

圖3b 浪涌電流和dV/dt都不是常數(shù)時(shí)，測(cè)得的功耗波形依然精確。此處的浪涌電流就沒有限流。



圖4 對(duì)功率積分可以得出圖1電路中MOSFET在開啟階段的總能耗

如果示波器支持積分功能, 則能進(jìn)一步得出MOSFET在任何高耗能事件中的實(shí)際總能耗。圖4新增紅色曲線為利用示波器積分功能計(jì)算出MOSFET消耗的能量信息。

如圖3a所示，COUT為360µF，浪涌電流被限制在2A。由于功率在MOSFET開啟的2ms內(nèi)是一個(gè)三角形狀，可以算出大約有24W/2×2ms=24mJ的能量變成了熱。可以看出，當(dāng)MOSFET開啟結(jié)束時(shí)，示波器積分功能計(jì)算出的能量數(shù)據(jù)就是24mWs (=24mJ)!

此類功能還適用于分析MOSFET的其它瞬態(tài)事件，如關(guān)斷，短路或過載。如此詳盡的功率和能量數(shù)據(jù)可用來精確分析MOSFET瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)的SOA和溫度特性。

測(cè)量負(fù)載電容

數(shù)字示波器計(jì)算功能中的積分功能還可用來測(cè)量熱插拔電路中的負(fù)載電容。假設(shè)不考慮電路阻抗對(duì)電流的影響，則負(fù)載電容值等于電容電壓每變化一伏改變的電量；而電量就是電流對(duì)時(shí)間的積分。因此，對(duì)熱插拔電路浪涌電流除以輸出電壓的值進(jìn)行積分，數(shù)字示波器就可以精確計(jì)算出負(fù)載電容值大小。圖5a中，熱插拔控制器輸出有三個(gè)10µF陶瓷電容。由于作為分母的電壓初始值為零，所以計(jì)算曲線的開始階段沒有任何實(shí)際意義。但VOUT超過伏后，計(jì)算出的電容值大約為27µF。可以看出，盡管示波器的功能已經(jīng)十分強(qiáng)大，但仍不能如我們所希望的那樣正確顯示電容值單位！

圖5b的測(cè)試和圖5a相同,但在輸出電容處增加了一個(gè)330µF電解電容，當(dāng)MOSFET開啟結(jié)束時(shí)，可以看到示波器顯示結(jié)果恰好就是360µF，正是我們所期望的。注意阻性負(fù)載會(huì)降低電容測(cè)試的精度，因?yàn)樗鼤?huì)分流進(jìn)入電容的電荷。但對(duì)于瞬態(tài)時(shí)間分析，結(jié)果依然非常有用。



圖5a 當(dāng)COUT=30µF時(shí)，圖1電路測(cè)得的輸出電容值


圖5b 當(dāng)COUT=30µF+330µF時(shí)，圖1電路測(cè)得的輸出電容