數(shù)字熒光示波器在開關(guān)電源功率損耗測量中的應(yīng)用
隨著許多行業(yè)對開關(guān)電源需求之不斷增長,測量和分析下一代開關(guān)式電源的功率損耗就顯的至關(guān)重要。在這個應(yīng)用領(lǐng)域,TDS5000或TDS7000系列數(shù)字熒光示波器,加上TDSPWR2功率測量軟件可助您輕松完成所需的測量和分析任務(wù)。
新型的開關(guān)式電源(SMPS:Switch Mode Power Supply)體系結(jié)構(gòu),需要給具有數(shù)據(jù)速度高和GHz級處理器提供很高的電流和較低的電壓,這給電源裝置設(shè)計人員在效率、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)、有源功率濾波校正和提高開關(guān)頻率等新型體系結(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)裝置上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC。
從“關(guān)”(導通)至“開”(關(guān)斷)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換期間,電源裝置會出現(xiàn)較高的功率損耗。(而處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)之中的開關(guān)裝置的功率損耗則較少,因為通過裝置的電流或裝置上的電壓很小)。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負載電流。電感器和變壓器也易受開關(guān)頻率的影響,從而導致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。
圖1 開關(guān)內(nèi)的電路示意圖
由于開關(guān)式電源裝置內(nèi)耗散的功率,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極為重要的測量工作。這種測量可測定功率效率和熱耗散。
功率損耗的測量和分析
1、**功率損耗測量所需的測試裝置
圖1所示為開關(guān)變換的簡化電路。MOSFET場效應(yīng)功率晶體管在40kHz時鐘的激勵下控制著電流。圖1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行簡單的接地參考電壓測量,因為若把探頭的接地導線連接在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M0SFET電壓波形的*好方法。通過差分測量,您可測定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,這取決于電源裝置的電壓范圍。您可通過幾種方法測量VDS:
·懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用,因為這樣極不**,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，將其接地導線連接在一起,然后用示波器的通道計算功能進行測量。這種測量法叫做準差分測量。然而，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)置不能準確地測量電壓，但可使用已有的探頭。
·使用商店里可以買到的探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭的接地導線將不再主接地電位，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,但較為昂貴，其成本是差分探頭的兩至五位。
·在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。您可通過差分探頭**地測量VDS，也是*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，待示波器和探頭完人暖機后，便可設(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，將每一波形的零位平均值調(diào)至0V。這一步驟可*大限度地減少因測量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導致的測量誤差。
2、校正因電壓和電流探頭傳導延遲而造成的誤差
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)置示波器并計算由于探接而造成的傳導延遲。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。測試設(shè)置現(xiàn)已準備就緒,可開始進行**測量了。
3、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。但您需在浮動電壓上,測量差動電壓。若需**地鑒定并測量差動開關(guān)信號,*好使用差分探頭。您可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿劃開關(guān)裝置的電流,而無需干擾電路本身。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)裝置的量小、*大和平均功率損耗。在分析開關(guān)裝置的功率耗散時,這些數(shù)據(jù)非常有用。如圖4所示,這些數(shù)據(jù)將顯示為Turn on Loss(導通損耗)、Turn of Loss(關(guān)斷損耗)和Power Loss(功率損耗)。在分析開關(guān)裝置的功率耗散時,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糙,您便可著手解決電壓和電流躍遷,以減少功率損耗。
圖4 開關(guān)裝置在導通時的*小、*大和平均功率損耗
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。圖5所示為負載轉(zhuǎn)換時的功率波形。請注意,當負載轉(zhuǎn)換時,開關(guān)裝置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)。然而,TDSPWR2的**測量能力,可自動計算*小功率損耗、*大功率損耗和平均功率損耗,以此提供開關(guān)裝置的有關(guān)信息。
開關(guān)裝置的*小、*大和平均功率損耗
4、負載動態(tài)變化期間的功率損耗分析
在實際運行環(huán)境中,電源裝置有著持續(xù)的動態(tài)負載變化。圖5所示情況表明,轉(zhuǎn)換時的功率損耗在負載變化期間亦有變化。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,以確保電源裝置不因這些而過載。
當今,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)損花點所生成的大量數(shù)據(jù),因為它給開關(guān)裝置造成了很大的應(yīng)力。
TDSPWR2的HiPower Finder功能,可避免分析深度內(nèi)存數(shù)據(jù)所帶來的挑戰(zhàn)。圖6所示是在開關(guān)裝置上,使用HPower Finder功能獲得的典型功率波形之結(jié)果。
圖6 HiPower Finder功能的查找結(jié)果：開關(guān)裝置負載變化時的功率波形
圖6展示了HPower Finder的獨特能力。所示結(jié)果為:捕獲數(shù)據(jù)中的開關(guān)事件次數(shù)匯總和開關(guān)損耗*大值/*小值。此時,您可輸入您感興趣的范圍,以此查看所需的開關(guān)損耗點。您只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點,HiPower Finder便可在深度內(nèi)存數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點。找到該點后,您可用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)損起測量功能,可使您迅速而有效地分析開關(guān)裝置的功率耗散情況。
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它組件,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)式電源裝置中，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。因此電源裝置設(shè)計人員需監(jiān)視實際通電電源裝置內(nèi)的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進行的測試，可能不能反映實際情況。
觀察磁芯特征的*有效方法是通過B-H曲線，因為B-H曲線能迅速揭示電源裝置內(nèi)電感器的行為特征。TDSPWR2可使您用實驗室的示波器,快速進行B-H分析,無需使用昂貴的專用工具。
在電源裝置的接通和穩(wěn)態(tài)期間,電感器和變壓器有不同的行為特征。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機上進行進一步的分析。現(xiàn)在,您可通過TDSPWR2直接在示波器上進行BH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BH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和電感器值。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗,可在主磁芯,也可在次磁芯上進行功率損耗測量。這些結(jié)果之差乃是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外,在無負載情況下,主磁芯之功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內(nèi)的總功率損耗。這些測量值可揭示功率耗散區(qū)的信息。
結(jié)論
可與TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型數(shù)字熒光示波器一起使用的TDSPWR2功率測量和分析軟件的開關(guān)裝置功率損耗、HiPower Finder和B-H分析功能,可較快地提供開關(guān)式電源裝置的各項測量值,從而使您能迅速查找功率耗散區(qū)域,并在動態(tài)情況下觀察其功率耗散行為特征。
(泰克電子(中國)有限公司)
