力科示波器基礎(chǔ)應(yīng)用系列之六——開(kāi)關(guān)功率器件的測(cè)試

現(xiàn)今電子行業(yè)所使用的電源絕大部分都是開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源中的輸出功率是依靠一系列的門驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)控制的，當(dāng)負(fù)載增大需要更多的功率輸出時(shí)，控制輸出電壓的反饋回路會(huì)調(diào)整門驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度（脈沖寬度變寬）；相反，當(dāng)負(fù)載減小，脈沖寬度會(huì)變窄。為了驗(yàn)證供電設(shè)備的性能，工程師會(huì)做一系列的測(cè)試，主要包括安全工作區(qū)測(cè)試（SOA），功率損耗，上端柵極測(cè)量，動(dòng)態(tài)阻抗分析，控制環(huán)路響應(yīng)，電源輸出紋波，線電流諧波，功率因數(shù)，實(shí)際/視在功率等等。

測(cè)量電源隨負(fù)載變化的響應(yīng)

不論是電源設(shè)計(jì)工程師還是在他們的產(chǎn)品中使用電源部件的工程師，他們關(guān)心的首要問(wèn)題就是，電源跟隨負(fù)載變化的響應(yīng)情況如何？圖1中顯示的是當(dāng)負(fù)載減小時(shí)電源性能變化的分析，這種情況和增加負(fù)載時(shí)是類似的。右下角的時(shí)基標(biāo)簽顯示當(dāng)前的時(shí)基范圍是 1ms/division，所以屏幕顯示的信號(hào)總時(shí)間長(zhǎng)度是10ms，采樣率是1.0 GS/s，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源信號(hào)來(lái)說(shuō)這種采樣率已經(jīng)足夠了，屏幕顯示的采樣點(diǎn)數(shù)量是10MSamples（標(biāo)簽顯示“10MS”）。

圖 1: 最上柵格捕獲了10ms門驅(qū)動(dòng)脈沖波形。第二個(gè)波形顯示對(duì)于門驅(qū)動(dòng)脈沖所有脈寬的跟蹤值。第三和第四個(gè)波形是對(duì)于門驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)在不同負(fù)載狀態(tài)下的放大波形

圖1中最上面柵格顯示的是示波器捕獲的門驅(qū)動(dòng)脈沖，負(fù)載變化前的時(shí)間是1ms，變化后的時(shí)間大概是9ms。柵格下面黃色的小三角標(biāo)識(shí)，指示的是觸發(fā)位置。在觸發(fā)位置前和觸發(fā)位置后大概半個(gè)柵格的內(nèi)置，有兩部分高亮的波形，其中紅色高亮的部分的放大波形在第三個(gè)柵格中顯示，紫色高亮的波形在底部柵格顯示。這兩個(gè)放大的波形顯示的是負(fù)載變化之前（紅色）和負(fù)載變化大約500us之后（紫色）的門驅(qū)動(dòng)脈沖寬度。放大的波形中，我們用肉眼即可觀察到負(fù)載大時(shí)電源輸出更多功率（脈沖寬度更寬），負(fù)載減小時(shí)輸出功率更小（脈沖寬度減?。?/p>

以上的討論是基于肉眼觀察得出的，電源輸出功率對(duì)于負(fù)載變化的響應(yīng)可以從圖1中的第二條藍(lán)色曲線更深入的分析。這條曲線是對(duì)于門級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度值的跟蹤曲線。數(shù)字示波器最擅長(zhǎng)顯示基于時(shí)間的一系列數(shù)值，這些數(shù)值不一定必須是電壓vs時(shí)間或者電流vs時(shí)間。在上面的電源測(cè)試案例中，工程師其實(shí)最關(guān)心的是：“電源的控制回路是如何響應(yīng)外接負(fù)載的變化的？”基于此，藍(lán)色的跟蹤曲線更能夠說(shuō)明問(wèn)題。剛開(kāi)始的1ms時(shí)間內(nèi)，門驅(qū)動(dòng)脈沖寬度較大，隨后由于負(fù)載變化，脈沖寬度急劇減小，然后又增大出現(xiàn)一個(gè)小的尖峰，接著回落一些，隨后緩慢增大，而后穩(wěn)定于新負(fù)載值。電源設(shè)計(jì)工程師可以使用數(shù)字示波器的這一測(cè)試功能，比如，還可以跟蹤脈沖邊沿的下降時(shí)間、波形最小值等等，工程師如果想要對(duì)控制回路的響應(yīng)特性進(jìn)行調(diào)試，可以先將這一波形保存下來(lái)，然后重新改進(jìn)電源控制回路設(shè)計(jì)，然后再重復(fù)進(jìn)行測(cè)量，將兩次的測(cè)量結(jié)果做比較，驗(yàn)證調(diào)試的效果。必要的時(shí)候還可以將兩條跟蹤曲線相減，可以更直觀得看到差別。數(shù)字示波器的這一功能，能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)電源控制回路的階躍負(fù)載變化響應(yīng)變得可視化，并進(jìn)行精確測(cè)量，驗(yàn)證電源特性。

測(cè)量電源安全工作區(qū)（SOA）

不管是電源的設(shè)計(jì)者還是將電源器件集成到產(chǎn)品中的工程師，都需要保證電源在不同的工況下能夠工作在安全區(qū)內(nèi)。另外，也要求電源不會(huì)輸出過(guò)高的電壓/電流脈沖。工程師還需要確定緩沖二極管可以正常工作。測(cè)量SOA時(shí)，示波器的一個(gè)通道測(cè)量開(kāi)關(guān)電源器件的電壓值，另一個(gè)通道測(cè)試線路流過(guò)的電流。然后根據(jù)捕獲的電壓vs時(shí)間波形和電流vs時(shí)間波形，繪出電壓vs電流的XY圖。注意到圖2中時(shí)基標(biāo)簽標(biāo)明當(dāng)前采集時(shí)間是2 msec/div，采樣率100 MS/s，總的采樣點(diǎn)為2 MS (megasamples)。

圖2：上圖中，黃色曲線為電壓vs時(shí)間。藍(lán)色為電流曲線。XY圖的橫軸為電壓值，縱軸為電流值

進(jìn)行SOA測(cè)試時(shí)，“不安全”的部分位于XY圖中右上角的采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)電壓值和電流值都很高。使用力科示波器進(jìn)行SOA測(cè)試時(shí)，用戶可以在XY圖上放置一個(gè)游標(biāo)，將游標(biāo)移至感興趣的采樣點(diǎn)位置，屏幕右下角將會(huì)顯示游標(biāo)位置的電壓和電流vs時(shí)間的值。這一功能對(duì)用戶進(jìn)行SOA測(cè)試非常方便。儀器剛開(kāi)始采集到的SOA不安全采樣點(diǎn)可能意味著浪涌電流的問(wèn)題，或者之后遇到的不安全采樣點(diǎn)問(wèn)題，可能意味著對(duì)于負(fù)載突然變化的階躍響應(yīng)問(wèn)題。

其它測(cè)量

此文不太可能覆蓋到所有的開(kāi)關(guān)電源測(cè)量項(xiàng)。如果您要了解更多測(cè)量案例請(qǐng)登錄www.lecroy.com。網(wǎng)站上的測(cè)量案例包括瞬時(shí)功率，功率損耗，動(dòng)態(tài)電阻值，實(shí)際功率和視在功率，線電流諧波、怎樣使用脈寬調(diào)制分析（圖1）測(cè)試電源軟啟動(dòng)過(guò)程和其它一些類型的測(cè)量等。

所有這些測(cè)量案例都基于測(cè)量功率器件的電壓和電流值。其中，最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是使用最合適的探頭進(jìn)行安全準(zhǔn)確的測(cè)量。力科提供了大量可選的解決方案，電流探頭（最大500A）和電壓探頭（最大20kV）。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)浮地電壓進(jìn)行測(cè)量，可以選用ADP300（20MHz帶寬）和ADP305（100MHz）的高壓差分探頭，最大測(cè)量1.4kV差分電壓值。在其他一些測(cè)試場(chǎng)合，工程師往往需要測(cè)試大電壓上疊加的小信號(hào)值，在這些案例中可以使用前端差分放大器。力科DA1855A提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的100，000:1 CMRR和超快的過(guò)載恢復(fù)能力。

總結(jié)

設(shè)計(jì)功率器件需要的測(cè)試項(xiàng)目很多，同樣集成功率器件也需要測(cè)試電源系統(tǒng)。使用力科示波器的上述測(cè)試項(xiàng)目和功能能夠大大縮短測(cè)量時(shí)間，簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期的同時(shí)不至于漏掉任何一個(gè)電源的缺陷，增加設(shè)計(jì)的可靠性。