隨著電子產(chǎn)品對(duì)開關(guān)電源需求不斷增長(zhǎng),，下一代開關(guān)電源的功率損耗測(cè)量分析也越來越重要,。本文介紹如何將數(shù)字熒光示波器和功率測(cè)量軟件結(jié)合起來，迅速測(cè)定開關(guān)電源的功率損耗,，并輕松地完成各項(xiàng)所需的測(cè)量和分析任務(wù),。
高速GHz級(jí)處理器需要新型開關(guān)電源(SMPS)提供高電流和低電壓,，這給電源設(shè)計(jì)人員在效率,、功率密度、可靠性和成本等方 面增加了新的壓力,。為了在設(shè)計(jì)中考慮這些需求,，設(shè)計(jì)人員紛紛采用同步整流技術(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),，但這些技術(shù)也隨之帶來了一 些新的難題,，如開關(guān)上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC等,。
從“關(guān)”(導(dǎo)通)至“開”(關(guān)斷)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間,，電源會(huì)出現(xiàn)較高的功率損耗,；而處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)之中開關(guān)功率損耗則 較少，因?yàn)橥ㄟ^電源的電流或電源上的電壓很小,。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負(fù)載電流,，但電感器和變壓器也易受開關(guān)頻率的影響，從而導(dǎo)致功率耗散和 偶爾由于飽和而造成故障,。
功率損耗分析
由于開關(guān)電源內(nèi)部消耗的功率決定了電源熱效應(yīng)的總體效率,，所以測(cè)定開關(guān)裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項(xiàng)極為重要的測(cè)量工作,，它可測(cè)定功率效率和熱耗散,。
設(shè)計(jì)人員在精確測(cè)量和分析各種設(shè)備的瞬時(shí)功率損耗時(shí)，會(huì)面臨下面一些困難：
- 需要測(cè)試裝置對(duì)功率損耗進(jìn)行精確測(cè)量
- 如何校正電壓和電流探頭傳導(dǎo)延遲所造成的誤差
- 如何計(jì)算非周期性開關(guān)變化的功率損耗
- 如何分析負(fù)載動(dòng)態(tài)變化期間的功率損耗
- 如何計(jì)算電感器或變壓器的磁芯損耗
測(cè)試裝置
圖1為開關(guān)變換簡(jiǎn)化電路圖,，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管在40kHz時(shí)鐘激勵(lì)下控制著電流。圖中的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(jìn)行簡(jiǎn)單的接地參考電壓測(cè)量。因?yàn)槿舭烟筋^的接地導(dǎo)線連接在MOSFET任何端子上,，都會(huì) 使該點(diǎn)通過示波器與地短路,。
在這種情況下，差分測(cè)量是測(cè)量MOSFET電壓波形的最好方法,。通過差分測(cè)量,，可測(cè)定VDS即MOSFET漏極和源極的電壓。VDS可在電壓之上浮動(dòng),，電壓范圍為幾十伏至幾百伏,，這取決于電源的電壓范圍?？赏ㄟ^下面幾種方法測(cè)量VDS：
1. 懸浮示波器的機(jī)箱地線,。建議不要使用，因?yàn)檫@樣不安全,，對(duì)用戶,、被測(cè)設(shè)備和示波器都有危險(xiǎn)。
2. 使用兩個(gè)常規(guī)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(jì)算功能進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量法叫做準(zhǔn)差分測(cè)量,，雖然無源探頭可與示波器的放大器結(jié) 合使用,，但缺少避免共模電壓“共模抑制比”(CMRR)功能。這種設(shè)置不能準(zhǔn)確測(cè)量電壓,，不過可使用已有的探頭,，不必購(gòu)買新配件,。
3. 購(gòu)買一個(gè)探頭隔離器隔離示波器機(jī)箱接地。探頭接地導(dǎo)線將不再為接地電位,，并可將探頭與測(cè)試點(diǎn)直接連接,。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但比較昂貴,，其成本是差分探頭的二至五倍,。
4. 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(cè)量VDS,，這也是最好的方法。
通過MOSFET進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，先將電流探頭夾好,，然后微調(diào)測(cè)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(cè)設(shè)備,，待示波器和探頭完全預(yù)熱后,，可設(shè)定示波器測(cè)量電壓和電流波形的平均值。敏感度設(shè)置應(yīng)使用實(shí)際測(cè)量所用的數(shù)值,，在沒有信號(hào)的情況下,，調(diào)整微調(diào)電容 器，將每個(gè)波形的零位平均值調(diào)至0V,。這一步驟可最大限度減少因測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的靜態(tài)電壓和電流而導(dǎo)致的測(cè)量誤差,。
校正傳導(dǎo)延遲誤差
在開關(guān)電源內(nèi)進(jìn)行功率損耗測(cè)量之前，應(yīng)先同步電壓和電流信號(hào),，以消除傳導(dǎo)延遲,，這一點(diǎn)很重要，該過程稱作“偏移校正”,。傳統(tǒng)方法是先計(jì)算電壓和電流信號(hào)之間的時(shí)滯,，然后再以手動(dòng)方式通過示波器的偏移校正范圍調(diào)整時(shí)滯。但這是一個(gè)非常冗長(zhǎng)乏味的過程,。
一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法是采用一種偏移校正夾具并選擇合適的示波器,，如TDS5000系列示波器。進(jìn)行偏移校正時(shí),，將差分電壓探頭 和電流探頭連接到偏移校正夾具的測(cè)試點(diǎn)上,，偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號(hào)激勵(lì)，如果需要還可用外部信號(hào)源激勵(lì)偏移校 正夾具。
另外在示波器上還可使用相應(yīng)的測(cè)量軟件,，利用其偏移校正能力自動(dòng)設(shè)置示波器并計(jì)算由于探接造成的傳導(dǎo)延遲,。偏移校正功能隨后可使用示波器偏移校正范圍，對(duì)時(shí)滯進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,，測(cè)試設(shè)置準(zhǔn)備好后就可開始進(jìn)行精確測(cè)量了,。圖2顯示了偏移校正之前和之后的電流和電壓信號(hào)。
非周期性開關(guān)信號(hào)功率損耗
如果發(fā)射極或漏極有接地,，測(cè)量動(dòng)態(tài)開關(guān)參數(shù)則較為簡(jiǎn)單,，但需在浮動(dòng)電壓上測(cè)量差動(dòng)電壓。若要精確測(cè)定并測(cè)量差動(dòng)開關(guān)信號(hào),，最好使用差分探頭,，可通過霍爾效應(yīng)電流探頭查看穿過開關(guān)的電流而無需干擾電路本身，此時(shí)也可用測(cè)量軟件的自動(dòng)偏移校正功能去除上述傳導(dǎo)延遲,。
測(cè)量軟件的“開關(guān)損耗”功能可自動(dòng)計(jì)算功率波形,，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)測(cè)量開關(guān)的最小,、最大和平均功率損耗，在分析開關(guān)功耗時(shí),， 這些數(shù)據(jù)非常有用,。如圖3所示，數(shù)據(jù)顯示為Turn on Loss,、Turn off Loss和Power Loss,。如果知道了接通和斷開時(shí)的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷,，以減少功耗,。
在負(fù)載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關(guān)頻率以驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載,。請(qǐng)注意,，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，開關(guān)裝置的功耗也隨之變化,，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很枯燥的任務(wù)，不過測(cè)量軟件的高級(jí)測(cè)量功能可自動(dòng)計(jì)算最小功率損耗,、最大功率損耗和平均功率損 耗,，為用戶提供開關(guān)電源的相關(guān)信息。
負(fù)載動(dòng)態(tài)變化功耗分析
在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,，電源裝置會(huì)連續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)負(fù)載變化,，所以測(cè)量中很重要的一步是要捕獲整個(gè)負(fù)載變化事件，并對(duì)開關(guān)損耗進(jìn)行測(cè)定，以確保電源裝置不會(huì)因這些原因而過載,。
當(dāng)今大部分設(shè)計(jì)人員都采用具有深度存儲(chǔ)(2MB)和高取樣率的示波器,，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的難題,，是如何分析在各開關(guān)損耗點(diǎn)上所生成的大量數(shù)據(jù),，這時(shí)也可利用測(cè)量軟件加以解決，圖4是在開關(guān)電源上通過測(cè)量軟件獲得的典型功率波形結(jié)果,。
在圖中可以看到捕獲數(shù)據(jù)中的開關(guān)事件次數(shù)和開關(guān)損耗最大值/最小值,，此時(shí)用戶可輸入感興趣的范圍，以此查看所需的開關(guān)損耗 點(diǎn),。只需在范圍內(nèi)選擇感興趣的點(diǎn),，軟件便可在深度存儲(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)查找該點(diǎn)，找到后在光標(biāo)位置周圍放大,，以詳細(xì)觀察其活動(dòng),。該功能加上前面提及的開關(guān)損耗測(cè)量功 能可使用戶迅速有效地分析開關(guān)裝置的功率耗散情況。
電磁元件的功率損耗
另一種減少功率損耗的方法與磁芯有關(guān),。從典型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，不僅會(huì)影響功率效率,，而且可造成熱耗散,。
電感器的測(cè)試通常采用LCR" target="_blank">LCR計(jì),，它使用正弦波作為測(cè)試信號(hào)。但在開關(guān)電源里,，電感器加載的是高壓高電流開關(guān)信號(hào),，都不是正弦信號(hào)，因此電源設(shè)計(jì)人員需監(jiān)測(cè)實(shí)際通電的電感器或變壓器特性,，此時(shí)用LCR計(jì)進(jìn)行的測(cè)試可能無法反映實(shí)際情況,。
觀察磁芯特征最有效方法是通過B-H曲線，因?yàn)锽-H曲線能迅速揭示電源內(nèi)電感器的特性,。在電源接通和穩(wěn)態(tài)期間,，電感器和變 壓器表現(xiàn)出不同的行為特征。在過去,，若想查看和分析B-H特征,，設(shè)計(jì)人員須先捕獲信號(hào)，然后在個(gè)人電腦上作進(jìn)一步的分析,，而現(xiàn)在可通過測(cè)量軟件直接在示波 器上進(jìn)行B-H分析,，即時(shí)觀察電感器行為特征,。在做深入分析時(shí)，該軟件還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數(shù)據(jù)間的光標(biāo)鏈接(圖5),。
B-H分析能力還可在實(shí)際SMPS環(huán)境中自動(dòng)測(cè)量功率損耗和電感器值,。若需推導(dǎo)電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯及次 磁芯上進(jìn)行功率損耗測(cè)量,，結(jié)果之差就是磁芯的功率損耗(磁芯損耗),。另外在無負(fù)載情況下，主磁芯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(cè)量 值可進(jìn)一步揭示功率耗散區(qū)的信息,。