專用示波器和軟件提高開發(fā)測(cè)試效率方案

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(shí)還須堅(jiān)持遵守更高的電源完整性標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)開關(guān)模式波形進(jìn)行更為復(fù)雜的測(cè)量，而這樣一來，就會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，增加成本。

為了縮短測(cè)試時(shí)間，測(cè)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(shí)現(xiàn)眾多功能和復(fù)雜分析的自動(dòng)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(gè)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(cè)試時(shí)間。

效率、重量、尺寸是驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和測(cè)試方法發(fā)展的動(dòng)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(jī)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(shì)。但是，這些特性也會(huì)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(gè)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(duì)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(cè)試工程專業(yè)技術(shù)水平，而這又會(huì)增加測(cè)試時(shí)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(jiǎn)化這些類型的分析而設(shè)計(jì)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(dòng)測(cè)量功能，我們可以結(jié)合使用硬件和軟件，從而簡(jiǎn)化關(guān)鍵電源開關(guān)器件測(cè)量、控制回路調(diào)制分析以及線路電源諧波測(cè)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(huì)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(shí)，電流為低。因此，開關(guān)器件耗散的功率很?。褐挥性趯?dǎo)通和斷開狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，才會(huì)耗散功率(圖 1)。

具有功率分析功能的 Teledyne LeCroy HDO4104 的圖片

圖 1： 在使用具有功率分析功能的 Teledyne LeCroy HDO4104 對(duì)開關(guān)模式電源進(jìn)行分析的過程中，將會(huì)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(jì)算和顯示功率耗散。(圖片：Digi-Key Electronics)

上圖顯示了使用功率分析軟件的基本器件測(cè)量。該圖底部的對(duì)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(shí)，用戶選擇信號(hào)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?cè)龠x擇與每種分析類型相關(guān)的特定測(cè)試。在圖 1 中，我們選擇的分析類型是“Device”(器件)，顯示的測(cè)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(jì)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(dòng)顯示器件導(dǎo)電和關(guān)閉的時(shí)間段。

圖形下方的表格列出了工作周期內(nèi)每個(gè)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(qǐng)注意，這一計(jì)算乃基于所采集的波形自動(dòng)進(jìn)行的。

對(duì)話框上還有一些其他選項(xiàng)卡，分別用于輸入設(shè)置、區(qū)域識(shí)別以及功率跡線縮放。輸入設(shè)置非常重要，因?yàn)樗捎糜谧R(shí)別示波器使用的電壓和電流探頭。最重要功能是對(duì)這些探頭的抗扭斜控制，以便電流和電壓測(cè)量保持時(shí)間同步。

用戶提示： 抗扭斜對(duì)于精確測(cè)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(gè)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(huì)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(gè)電源周期的 SOA 圖。

安全工作區(qū)圖的圖片

圖 2： 右側(cè)的安全工作區(qū)圖記錄了多個(gè)電源周期的電流和電壓的軌跡。最大電壓點(diǎn)位于該圖的最右端。最大電流位于頂部。兩個(gè)點(diǎn)均與測(cè)試遮罩交叉，并以紅色高亮顯示標(biāo)記。(圖片：Digi-Key Electronics)

SOA 圖的垂直軸表示的是電流，水平軸為電壓。這兩個(gè)信號(hào)的逐樣本乘積就是器件的瞬時(shí)功率耗散。在 SOA 圖左下角的點(diǎn)，電流和電壓均為零。最右側(cè)的點(diǎn)就是器件的最大電壓。垂直的極限點(diǎn)就是流經(jīng)器件的最大電流。

SOA 圖會(huì)顯示在測(cè)試遮罩內(nèi)，可通過以下四個(gè)點(diǎn)描述：

最大電壓

最大電流

最大電壓時(shí)的電流

最大電流時(shí)的電壓

用戶在圖 2 所示的對(duì)話框中輸入這些點(diǎn)，輸入值為制造商規(guī)定的被測(cè)設(shè)備的限值。如果 SOA 圖與測(cè)試遮罩交叉，則有一個(gè)紅色圓圈突出顯示該樣本。這個(gè)圓圈表示超過了遮罩測(cè)試容限。圖中顯示了兩個(gè)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(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻 (Rds(ON)) 的測(cè)量則需要對(duì) FET 飽和電壓和通道電流進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量(圖 3)。

FET 動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻的圖片

圖 3： FET 動(dòng)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(jì)算得出的。(圖片：Digi-Key Electronics)

此測(cè)量可能難以進(jìn)行，因?yàn)樵诖嬖趲装俜氐碾妷簲[幅的情況下，示波器只會(huì)發(fā)現(xiàn)幾伏特的信號(hào)電平。

一個(gè)好的差分放大器，例如 Teledyne LeCroy 的 DA1855A，可以充當(dāng)信號(hào)調(diào)節(jié)前置放大器，以便更加簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)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(hào)的輸入作為參考輸入。這樣一來，MOSFET 的信號(hào)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(qǐng)注意，在示波器輸入上直接嘗試這種技術(shù)，通常會(huì)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(hào)，而無需擔(dān)心跡線回到屏幕上時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，用戶能夠獲取飽和電壓的精確細(xì)節(jié)。

要計(jì)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(jì)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(dòng)執(zhí)行測(cè)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(cè)試包括電壓和電流波形的時(shí)間變化率(dV/dt 和 dI/dt)。它顯示了器件開啟和關(guān)閉時(shí)的電壓和電流的時(shí)間變化率。

器件測(cè)試還可延展到 B-H 曲線分析形式的磁測(cè)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(chǎng)強(qiáng)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(gè)測(cè)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(huì)在其控制回路中使用 PWM。增加驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)，我們必須能夠解調(diào) PWM 信號(hào)。

功率分析儀軟件提供了簡(jiǎn)單易用的調(diào)制分析功能，可以測(cè)量每個(gè)脈沖的寬度或占空比，并可繪制脈沖寬度或占空比隨時(shí)間變化的圖示。該工具極為便利，可以直觀地查看整個(gè)控制回路的時(shí)域響應(yīng)，包括控制 IC 中脈沖寬度調(diào)制器添加的任何時(shí)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(duì)開關(guān) FET 的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度的影響。

控制回路對(duì)負(fù)載的階躍變化的響應(yīng)圖片

圖 4： 顯示了柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制回路對(duì)負(fù)載的階躍變化的響應(yīng)?？刂苹芈贩治鰣D顯示了控制器響應(yīng)，它通過改變柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來管理負(fù)載變化。(圖片：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(dòng)信號(hào)可在跡線 C1(黃色)上采集，并會(huì)顯示控制器對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)，表現(xiàn)為柵極驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度變化。控制分析跡線(藍(lán)色)顯示了控制回路對(duì)負(fù)載電流的階躍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

中心網(wǎng)格中的跡線是柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的水平縮放?？s放的部分在柵極驅(qū)動(dòng)跡線上突出顯示，目的是顯示它相對(duì)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(cè)量參數(shù)表顯示了各個(gè)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(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)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(diǎn)，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(dòng)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(dòng)。跡線，從上到下依次是漏源極電壓、漏電流、FET 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓以及柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。底部的跡線顯示了柵極驅(qū)動(dòng)占空比在整個(gè)啟動(dòng)過程中的變化。

監(jiān)控電源啟動(dòng)過程中的 PWM 占空比變化的圖片

圖 5： 監(jiān)控電源啟動(dòng)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(dòng)占空比在整個(gè)啟動(dòng)過程中的變化。(圖片：Digi-Key Electronics)

選擇示波器時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須明白，要對(duì)電源轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)進(jìn)行分析，就需要具有長(zhǎng)采集波形存儲(chǔ)器的示波器。本例所示為 10 毫秒的啟動(dòng)采集，使用了 2.5 兆樣本的采集波形存儲(chǔ)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(chǔ)器。最大采集時(shí)間取決于存儲(chǔ)器長(zhǎng)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(gè)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(gè)分析功能主要針對(duì)開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的初級(jí)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(cè)試功能，即功率測(cè)量和諧波分析。功率測(cè)量可確定線路電壓和電流。它們還可測(cè)量和顯示實(shí)際功率、視在功率和無功功率。另外，用戶可以選擇計(jì)算并顯示功率因數(shù)、相位角和波峰因數(shù)。“諧波”測(cè)試選項(xiàng)旨在測(cè)量線路諧波，并驗(yàn)證其是否符合 EN 61000-3-2 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這種合規(guī)性測(cè)試極其重要，可以確保不會(huì)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(gè)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(jí)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。

線路諧波分析評(píng)估線路電流的諧波含量的圖片

圖 6： 線路諧波分析使用頻譜分析方法來評(píng)估線路電流的諧波含量。根據(jù) EN 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照內(nèi)置的測(cè)試遮罩，對(duì)諧波幅值進(jìn)行測(cè)試。(圖片：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(gè)因素是整體性能。

性能分析

性能分析包括兩項(xiàng)重要測(cè)試。第一項(xiàng)是器件效率。此項(xiàng)測(cè)試可測(cè)量被測(cè)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(jì)算器件效率。

第二項(xiàng)性能測(cè)試是輸出紋波。這是非常重要的電源完整性測(cè)量，因?yàn)槿绻娫纯偩€上的紋波過多，可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)的額外抖動(dòng)(圖 7)。

時(shí)域和頻域中的紋波分析輸出紋波圖片

圖 7： 輸出紋波是非常重要的電源完整性測(cè)量。紋波分析可顯示時(shí)域和頻域中的輸出紋波。左側(cè)跡線即為紋波的時(shí)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(gè)元器件。 (圖片： 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(shí)域中的擴(kuò)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(cè)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(gè)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(hào)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(cè)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(jiǎn)化測(cè)試，縮短測(cè)試時(shí)間。該示波器提供了專用的用戶界面和自動(dòng)測(cè)量功能，因此可以簡(jiǎn)化電源開關(guān)器件的關(guān)鍵測(cè)量、PWM 控制回路分析、線路電源效率和諧波測(cè)試。此外，Teledyne LeCroy 還提供眾多探測(cè)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(cè)量。