電源可用于多種電子設備，從兒童玩具到計算機、辦公設備到工業設備。它們用于將電能從一種形式轉換為另一種形式，以確保設備正常運行。常見的例子是交流-直流轉換器，可將交流電壓轉換為穩壓直流電壓，或直流-直流轉換器，可將電池電量轉換為所需的電壓水平。

電源種類繁多，從傳統的線性電源到專為復雜、動態工作環境而設計的高效開關電源 (SMPS)。設備上的負載可能瞬息萬變，即使是商用開關電源也必須能夠承受遠超平均工作水平的突發峰值負載。設計電源或使用電源的系統的工程師需要了解電源在從靜止到最壞情況下的行為。

圖 1. 利用功率分析軟件表征的 SMPS 組件。

過去，表征電源的行為意味著使用數字萬用表測量靜態電流和電壓，并在計算器或計算機上進行繁瑣的計算。如今，大多數工程師將示波器作為首選的電源測量工具。

本應用說明將使用泰克 3 系列 MDO 示波器描述圖 1 所示的常見開關電源測量。借助可選的功率測量和分析軟件，這些示波器可提供自動功率測量，以便快速分析，并簡化探頭的設置和偏移校正，以實現最大精度。

準備電源測量

理想情況下，電源應完全按照設計和建模的方式運行。但現實情況是，組件并不完美;負載會發生變化;線路功率可能會失真;環境變化會影響性能。由于需要提高性能、提高效率、減小尺寸和降低成本，電源設計變得更加復雜。

鑒于這些設計挑戰，必須正確設置測量系統，以準確捕獲波形以供分析和故障排除。需要考慮的重要事項包括：

示波器采集模式

消除電壓和電流探頭之間的偏差

消除探頭偏移

電流探頭消磁

帶寬限制濾波器

圖 2.采樣模式。

圖 3.平均模式。

圖 4.高分辨率模式

示波器采集模式

示波器的采集模式控制著電信號的采樣、處理和顯示方式。產生的波形點是數字值，存儲在內存中并顯示以構建波形。大多數示波器支持不同的采集模式，所選的采集模式可能會影響功率測量的準確性。了解采集模式如何工作以及它們對波形和隨后的功率測量的影響非常重要。

每臺示波器都提供采樣模式，這是最簡單的采集模式。如圖 2 所示，示波器通過在每個波形間隔期間保存一個采樣點來創建一個波形點(波形間隔在圖中顯示為 1、2、3 和 4)。建議使用采樣模式測量通過多次采集獲得的非重復信號，例如紋波和噪聲分析。

大多數示波器制造商提供的另一種采集模式是平均模式。在平均模式下，示波器會像采樣模式一樣在每個波形間隔內保存一個采樣點。然而，在平均模式下，連續采集的相應波形點隨后被平均在一起以產生最終顯示的波形，如圖 3 所示。平均模式可降低噪聲，但需要重復信號。在執行諧波分析或電能質量分析測量(如有效功率、無功功率和視在功率)時，平均模式特別有用。

泰克還提供高分辨率模式。在此模式下，在一個波形間隔內采集的多個連續樣本被平均在一起，從單次采集中產生一個波形點，如圖 4 所示。結果是帶寬降低，因此噪聲降低，低速信號的垂直分辨率提高。高分辨率對于在啟動電源并在單次采集中獲取數據時進行調制分析特別有用。高分辨率可以提高開關損耗等測量的準確性，這些測量基于瞬時功率等數學計算值。

圖 5. 電壓和電流探頭之間的默認時序偏差。

圖 6. 電壓和電流探頭之間的時序偏差的標稱校正。

消除電壓和電流探頭之間的偏差

要使用數字示波器進行功率測量，必須測量被測設備的電壓和電流。此任務需要兩個獨立的探頭：一個電壓探頭(通常是高壓差分探頭)和一個電流探頭。每個電壓和電流探頭都有自己的特性傳播延遲，并且這些波形中產生的邊沿很可能不會自動對齊。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差異(稱為偏差)會導致幅度和時序測量不準確。了解探頭的傳播延遲對最大峰值功率和面積測量的影響非常重要，因為功率是電壓和電流的乘積。如果電壓和電流信號沒有完全對齊，結果將不正確。

3 系列 MDO 提供“去偏斜”功能，可消除探頭之間的偏斜。從任何通道菜單中，單擊“多通道”按鈕可調出去偏斜菜單。許多泰克探頭的標稱延遲值都存儲在儀器中。TekVPI 探頭將被識別，標稱延遲值將自動填充。圖 5 中的電壓和電流波形的偏斜約為 8 ns，每個探頭的傳播延遲顯示在信息框中。TDP0500(泰克差分電壓探頭)的標稱傳播延遲為 6.5 ns，而 TCP0030A(泰克電流探頭)的標稱傳播延遲為 14.5 ns。傳播延遲的差異為 8 ns。

校正探頭之間的偏移非常簡單，只需在偏移校正菜單中點擊“OK，偏移校正”即可，如圖 6 所示。選擇此選項可將探頭的“實際偏移校正”值調整為“建議偏移校正”值。假設探頭啟用了 TekVPI ?或通常支持自動探頭偏移校正，則“建議偏移校正”值基于探頭的標稱傳播延遲，該延遲存儲在探頭的內部存儲器中。

圖 7. 泰克相差校正脈沖發生器和相差校正夾具。

圖 8.具有消磁/自動歸零功能的 Tektronix TCP0030 AC/DC 電流探頭。

將傳播延遲設置為其標稱值將非常接近正確校正它們，但仍可能無法精確對齊波形。為了精確對齊波形以獲得最大的測量精度，需要使用 TEK-DPG(校正脈沖發生器)和校正裝置。

TEK-DPG 為功率測量相差校正夾具(泰克部件編號 067-1686-XX)提供源信號，如圖 7 所示。將探頭連接到相差校正夾具后，可以手動撥入“實際相差校正”來更改相差校正值，從而精確對齊波形。

消除探頭偏移

差分探頭往往存在輕微的電壓偏移。這種偏移會影響精度，必須在進行測量之前將其消除。大多數差分電壓探頭都具有內置直流偏移調節控制，這使得偏移消除過程相對簡單。

在進行測量之前，可能還需要調整電流探頭。電流探頭偏移調整是通過將直流平衡調零到平均值 0 安培或盡可能接近 0 安培來進行的。支持 TekVPI 的探頭(例如 TCP0030A AC/DC 電流探頭)具有內置的自動消磁/自動歸零程序，只需按下探頭補償盒上的按鈕即可。

圖 9. 連接 TDP0500 的 3 系列 MDO 示波器上可用的帶寬限制濾波器。

消磁

電流探頭還應具有易于使用的消磁功能。消磁可消除變壓器磁芯中任何殘余直流磁通，這可能是由大量輸入電流引起的。該殘余磁通會導致輸出偏移誤差，應將其消除以提高測量的準確性。

泰克 TekVPI 電流探頭提供消磁警告指示器，可提醒用戶執行消磁操作。由于電流探頭可能隨著時間的推移而產生顯著的漂移，從而影響測量精度，因此消磁警告指示器是一項有用的功能。

帶寬限制濾波器

限制示波器的帶寬可消除顯示波形中的噪聲或不需要的高頻內容，從而產生更清晰的信號。3 系列提供內置帶寬限制濾波器，如圖 9 所示。在某些情況下，探頭也可能配備帶寬限制濾波器。

用戶在使用這些濾波器時應小心謹慎，因為第 n 階諧波中包含的高頻內容可能會從測量中消除。例如，如果測量 1 MHz 信號并評估第 40 次諧波，則至少需要 40 MHz 的系統帶寬。將帶寬限制濾波器設置為 20 MHz(這是圖 10 所示示例中的可用選項)將消除此測量所需的頻率內容。

電源測量

一旦測量系統正確設置，就可以開始進行功率測量。常見的功率測量可分為三類：輸入分析、開關器件分析和輸出分析。

輸入分析

現實世界中的電力線從不提供理想的正弦波，線路上總是存在一些失真和雜質。開關電源對電源呈現非線性負載。因此，電壓和電流波形并不相同。在輸入周期的某個部分，電流會被吸收，從而導致輸入電流波形產生諧波。分析電源輸入的關鍵測量包括：

諧波

電能質量

圖 10.諧波分析。

圖 11.電能質量測量。

諧波

開關電源傾向于產生奇次諧波，這些諧波會回到電網中。這種影響是累積的，隨著越來越多的開關電源連接到電網(例如，隨著辦公室增加更多的臺式電腦)，返回電網的諧波失真總百分比可能會上升。由于這種失真會導致電網的電纜和變壓器中積聚熱量，因此有必要盡量減少諧波。IEC61000-3-2 等監管標準旨在監督特定非線性負載的電能質量。

確定這些失真的影響是電力工程的重要組成部分，使用示波器而不是萬用表的好處是顯著的。測量系統必須能夠捕獲高達基波第 50 次諧波的諧波分量。電力線頻率通常為 50 Hz 或 60 Hz;盡管對于某些軍事和航空電子應用，線路頻率可能是 400 Hz。還應注意，信號畸變可能包含具有甚至更高頻率分量的頻譜分量。借助現代示波器的高采樣率，可以非常詳細地(分辨率)捕獲快速變化的事件。相比之下，傳統功率計由于其相對較慢的響應時間而可能忽略信號細節。

執行諧波分析與進行普通波形測量一樣簡單。由于本例中的信號是重復的周期性波形，因此觸發和顯示它是一件簡單的事情。應顯示至少五個周期以確保良好的頻率分辨率，并且應設置垂直刻度，以使信號在顯示屏上占據盡可能多的垂直刻度，以獲得最佳測量精度。

圖 10 顯示了對電源負載電流進行諧波分析的結果。用戶可以選擇以表格或圖形的形式查看結果，并可以選擇查看“全部、奇數或偶數”諧波。諧波數據可以作為 CSV 文件保存到 USB 存儲設備。還顯示了相對于基波和 RMS 值的總諧波失真 (THD) 值。這些測量值可用于分析是否符合電源應用軟件中包含的 IEC61000-3-2 和 MILSTD-1399 等標準。

電能質量

電能質量不僅僅取決于電力生產商。它還取決于電源和最終用戶的負載。電源的電能質量特性決定了電源的“健康狀況”，并確定了非線性負載引起的失真的影響。如圖 11 所示，電源應用軟件提供了一個結果表，其中包含以下自動測量值：V RMS和 I RMS、電壓和電流波峰因數、有效功率、無功功率、視在功率和功率因數。

圖 12.IGBT 上的開關損耗測量。

開關設備分析

大多數現代系統中流行的直流電源架構是 SMPS，因為它能夠高效處理不斷變化的輸入電壓和負載。SMPS 盡量減少使用電阻和線性模式晶體管等有損耗的元件，并強調(理想情況下)無損耗的元件。SMPS 設備還包括一個控制部分，其中包含脈沖寬度調制調節器、脈沖速率調制調節器和反饋環路等元件。

SMPS 技術依賴于功率半導體開關器件，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。這些器件提供快速開關時間，并且能夠承受不穩定的電壓尖峰。此外，晶體管在開啟或關閉狀態下的功耗非常小，從而實現高效率和低散熱。在大多數情況下，開關器件決定了 SMPS 的整體性能。開關器件的關鍵測量包括：

開關損耗

安全操作區

轉換速率

開關損耗

晶體管開關電路通常在轉換過程中耗散的能量最多，因為電路寄生效應會阻止器件瞬間切換。開關器件(如 MOSFET 或 IGBT)從關閉狀態轉換為開啟狀態時損失的能量定義為開啟損耗。同樣，關閉損耗是開關器件從開啟狀態轉換為關閉狀態時損失的能量。晶體管電路在切換過程中會因寄生電容和電感中的耗散元件以及二極管中存儲的電荷而損失能量。正確分析這些損耗對于表征電源和衡量其效率至關重要。

如圖 12 所示，開關損耗測量是在選定的采集區域(默認情況下為整個波形)內的完整周期內進行的，并且這些測量的統計數據是在采集過程中累積的，但不是在采集之間累積的。

測量開啟和關閉損耗的主要挑戰是損耗發生在非常短的時間段內，而開關周期剩余時間內的損耗則很小。這要求電壓和電流波形之間的時序非常精確，測量系統偏移量最小，并且測量的動態范圍足以準確測量開啟和關閉電壓和電流。如前所述，必須消除探頭偏移，必須對電流探頭進行消磁以消除探頭中任何殘留的直流磁通，并且必須最小化通道之間的偏移。

圖 13.SOA 模板測試。

圖 14. 斜率測量

另一個主要挑戰是精確測量開關損耗所需的高動態范圍。開關器件兩端的電壓在開啟和關閉狀態之間變化很大，因此很難在一次采集中準確測量兩種狀態。使用 3 系列有三種方法可以確定正確的值：

測量導通期間開關器件兩端的電壓降。由于此電壓通常與開關器件不導通時的電壓相比非常小，因此通常無法在示波器的同一垂直設置下準確測量這兩個電壓。

根據器件數據表提供 RDS(on) 值(MOSFET 的最佳模型)。該值是器件導通時漏極和源極之間的預期導通電阻。

根據器件數據表提供 VCE(sat) 值(BJT 和 IGBT 的最佳模型)。這是器件飽和時從集電極到發射極的預期飽和電壓。

安全操作區 (SOA)

晶體管的安全工作區 (SOA) 定義了器件在不受損壞的情況下可以運行的條件;具體來說，就是在給定電壓下有多少電流可以流過晶體管。超過這些限制可能會導致晶體管失效。SOA 是一種圖形測試技術，它考慮了開關器件的限制，例如最大電壓、最大電流和最大功率，并確保開關器件在指定的限制范圍內運行。

開關設備制造商的數據表總結了開關設備的某些約束。目的是確保開關設備能夠承受電源在其最終用戶環境中必須處理的操作邊界。SOA 測試變量可能包括各種負載場景、工作溫度變化、高低線路輸入電壓等。如圖 13 所示，創建了一個用戶可定義的掩碼，以確保開關設備在電壓、電流和功率方面遵守定義的公差。掩碼違規將報告為電源應用中的故障。

轉換速率

為了驗證開關設備是否以最高效率運行，需要測量電壓和電流信號的斜率，以驗證電路是否在規格范圍內運行。如圖 14 所示，示波器用于通過使用測量光標來確定開關信號的斜率，從而簡化柵極驅動特性分析和開關 dv/dt 或 di/dt 計算。

圖 15. 上電期間 IGBT 柵極驅動的調制分析。

輸出分析

理想情況下，直流電源的輸出不應有任何開關諧波或其他非理想噪聲分量。但實際上這是不可能的。輸出分析測量對于確定輸入電壓或負載變化對輸出電壓的影響至關重要。這些測量包括：

調制分析

波紋

調制分析

3 系列的數字熒光采集技術在排除設計故障時具有獨特優勢，尤其是在識別開關電源中的過度調制效應時。這些示波器的最大波形捕獲率超過 270,000 wfm/s，比典型的數字存儲示波器 (DSO) 高出許多倍。這在調查調制效應時提供了兩個優勢。首先，示波器大部分時間處于活動狀態，處理波形以進行顯示的時間更少。因此，示波器有更多機會捕獲調制。其次，數字熒光顯示器使實時查看調制波形變得更加容易。顯示屏會強化信號軌跡最頻繁交叉的區域，就像模擬示波器一樣。調制比連續重復的主波形更暗，因此更容易看到。

使用泰克示波器測量調制效果也很容易。圖 15 顯示了控制電源上電流模式控制環路輸出的脈沖寬度調制信號。調制在反饋系統中對于控制環路非常重要。但是，過多的調制會導致環路變得不穩定。紅色波形是數學波形，顯示了電源振蕩器啟動時對 IGBT 柵極驅動信號進行的周期間脈沖寬度測量的趨勢。由于數學波形表示脈沖寬度測量值(以時間為單位)，因此可以使用光標測量脈沖寬度的變化。數學值表示所選調制測量在采集波形中的趨勢。在本例中，它表示振蕩器控制環路在啟動期間的響應。這種調制分析還可用于測量電源控制環路對輸入電壓變化(“線路調節”)或負載變化(“負載調節”)的響應。

圖 16.紋波測量。

波紋

紋波是疊加在電源直流輸出上的交流電壓。它以正常輸出電壓的百分比或峰峰值電壓表示。線性電源的紋波通常接近線路頻率的兩倍(~120 Hz)，而開關電源的開關紋波可能達到數百 kHz。

結論

電源幾乎是所有線路供電和電池供電電子產品不可或缺的一部分，而開關電源 (SMPS) 已成為許多應用中的主導架構。單個開關電源的性能(或其故障)可能會影響大型昂貴系統的命運。

為了確保新興 SMPS 設計的可靠性、穩定性、性能和合規性，設計工程師必須執行許多復雜的功率測量。帶有功率分析應用模塊的泰克 3 系列 MDO 示波器大大簡化了電源分析。諧波、電能質量、開關損耗、安全工作區、斜率、調制和紋波等自動功率測量可確保快速分析，而探頭的簡化設置和偏移校正可提供最大的精度。

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審核編輯 黃宇