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新型的開關(guān)電源(SMPS，SwitchModePowerSupply)需要給具有數(shù)據(jù)傳輸速度高和GHz級處理器提供較低的電壓合很高的電流，這給電源設(shè)計人員在電源效率、功率密度、可靠性和成本幾方面增加了無形的新壓力。為了在設(shè)計中考慮到這些需求，設(shè)計人員采用了同步整流技術(shù)、有源功率因數(shù)校正和提高開關(guān)頻率等新結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)也隨之帶來了某些更高的挑戰(zhàn)，如:開關(guān)器件上較高的功率損耗和過度的EMI/EMC。
由于開關(guān)式電源耗散的功率決定了電源的效率及其熱效應(yīng)，所以測定開關(guān)器件和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作。設(shè)計人員在精確測量和分析各種設(shè)備的瞬時功率損耗時，所面臨的挑戰(zhàn)有下列幾個方面:精確測量功率損耗所需的測試裝置；校正電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲所造成的誤差；計算非周期性開關(guān)變化的功率損耗圖；分析負載動態(tài)變化期間的功率損耗；計算電感器或變壓器的磁芯損耗。
精確測量功率損耗所需的測試裝置
圖1所示為開關(guān)變換的簡化電路。圖1中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地連接，即與地隔離，因此無法用示波器進行簡單的接地參考電壓測量，因為若把探頭的接地導(dǎo)線連接在MOSFET的任何端子上，都會使該點通過示波器與接地短路。
在這種情況下，差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。差分測量可測定漏極-源極電壓(VDS)，即MOSFET的漏極端子和源極端子上的電壓。VDS可在電壓之上浮動，電壓范圍可為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍。這里可通過以下幾種方法測量VDS:
*懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用，因為這樣極不安全，對用戶、被測設(shè)備和示波器都有危險。
*使用兩個常規(guī)的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算功能迸行測量。這種測量法叫做準差分測量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結(jié)合使用，但缺少可適當(dāng)阻止任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)功能，這種設(shè)置不能準確測量電壓，但可使用已有的探頭。
*使用市場上可以買到的探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭的接地導(dǎo)線將不再為接地電位，并可將探頭與一個測試點直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但較為昂貫，其成本是差分探頭的2～5倍。
*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，這是最好的方法。
通過MOSFET進行電流測量時，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，便可設(shè)定示波器測量電壓和電流波形的平均值。應(yīng)使用實際測量所用的數(shù)值設(shè)置敏感度。在沒有信號的情況下，調(diào)整微調(diào)電容器，將每一波形的零位平均值調(diào)至0V，這一步驟可最大限度地減少因測量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導(dǎo)致的測量誤差。
校正因電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲而造成的誤差
在開關(guān)式電源內(nèi)進行任何功率損耗測量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號，以消除傳導(dǎo)延遲，這一點很重要。這一過程被稱作“偏移校正”。傳統(tǒng)的方法是先計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。
一種較簡單的方法是采用一種偏移校正夾具和一部TDS5000系列示波器。進行偏移校正時，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。
TDSPWR2軟件的偏移校正能力，可自動設(shè)置示波器并計算傳導(dǎo)延遲。偏移校正功能隨后便可使用示波器的偏移校正范圍,并對時滯進行自動補償。至此，測試設(shè)置現(xiàn)已準備就緒，可開始進行精確測量了。圖2和圖3所示為偏移校正之前和之后的電流和電壓信號。
計算非周期性開關(guān)信號上的功率損耗
如果發(fā)射極或漏極有接地，測量動態(tài)的開關(guān)參數(shù)則較為簡單。但需在浮動電壓上測量差動電壓。若需精確地鑒定并測量差動開關(guān)信號，最好使用差分探頭。我們可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿過開關(guān)器件的電流，而無須干擾電路本身。此時便可用TDSPWR2的自動偏移校正功能，去除前面解釋的傳導(dǎo)延遲。
TDSPWR2 軟件的“開關(guān)損耗”功能可自動計算功率波形，并根據(jù)捕獲的數(shù)據(jù)測量開關(guān)器件的最小、最大和平均功率損耗。在分析開關(guān)器件的功率耗散時，這些數(shù)據(jù)非常有用。這些數(shù)據(jù)將顯示為Turn on Loss(導(dǎo)通損耗)、Turn off Loss(關(guān)斷損耗)和Power Loss(功率損耗)。在分析開關(guān)器件的功率耗散時，這些數(shù)據(jù)非常有用。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，以減少功率損耗。
在負載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關(guān)頻率以驅(qū)動輸出負載。注意，當(dāng)負載轉(zhuǎn)換時，開關(guān)器件的功率損耗也隨之變化。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非常冗長乏味的任務(wù)，而TDSPWR2的高級測量能力，可自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，以此提供開關(guān)器件的有關(guān)信息。
負載動態(tài)變化期間的功率損耗分折
在實際運行環(huán)境中，電源有著持續(xù)的動態(tài)負載變化。所以測量中很重要的一步，是要捕獲整個負載變化事件，并對開關(guān)損耗進行鑒定，以確保電源不因這些而過載。
當(dāng)今，大部分設(shè)計人員都采用具有深度內(nèi)存(2MB)和高取樣速率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的挑戰(zhàn)，是如何分析各開關(guān)損耗點所生成的大量數(shù)據(jù)，因為它給開關(guān)器件造成了很大的應(yīng)力。
TDSPWR2的HiPowerFinder功能可避免分析深度內(nèi)存數(shù)據(jù)所帶來的挑戰(zhàn)。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點，HiPowerFinder便可在深度內(nèi)存數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點。找到該點后，可用TDSPWR2在光標位置周圍放大，以詳細觀察其活動。這一功能，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)器件的功率耗散情況。
計算電磁元件的功率損耗
另一種可減少功率損耗的方法與磁芯有關(guān)。從典型的AC/DC和DC/DC線路圖來看，電感器和變壓器是耗散功率的其他組件，因此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，LCR使用一正弦波作為測試信號。在開關(guān)式電源中，電感器將被加載上高壓、高電流開關(guān)信號，但都不是正弦信號。因此電源設(shè)計人員需監(jiān)視實際通電電源內(nèi)的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進行的測試，不能反映實際情況。
觀察磁芯特征的最有效方法是通過B-H曲線，因為B-H曲線能迅速揭示電源內(nèi)電感器的行為特征。以前，若需查看和分析B-H特征,設(shè)計人員須先捕獲信號，然后在個人PC上進行進一步的分析。現(xiàn)在，用戶可通過TDSPWR2直接在示波器上進行B-H分析，即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時， TDSPWR2還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標鏈接。
TDSPWR2的B-H分析能力還可在實際的SMPS環(huán)境中自動測量功率損耗。若需推導(dǎo)電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯或次磁芯上進行功率損耗測量。這些結(jié)果之差即是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。這些測量值可揭示功率耗散區(qū)的信息。
結(jié)論
TDSPWR2分析軟件具有開關(guān)器件功率損耗、HiPower Finder和B-H分析等關(guān)鍵功能，可快速提供開關(guān)式電源的各項測量值。如果與TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型數(shù)字熒光示波器一起使用，用戶不僅能迅速查找功率耗散區(qū)域，并能在動態(tài)情況下觀察其功率耗散行為特征。
