今天的电源设计人员和测试工程师都在努力寻找非常小的渐进改良方案,来提高功率转换效率,或降低设计中的损耗。这要求能够准确评估和测量非常小的性能提高。

几乎在功率转换器的每个部分都存在损耗源,关键区域通常包括开关半导体、磁性元件和整流器。即使性能只改进了几个百分点,甚至是不到百分之一,可能也会具有重大的意义。而为了准确评估和测量这么小的性能提高,异常准确的测量至关重要。

大多数示波器都带有10X衰减无源探头,因为这种探头适合在各种各样的应用中进行测量。这些探头的额定带宽一般为DC ~ 500 MHz,一般能够测量高达几百伏的电压。当然使用通用探头进行功率测量也是可以的,但与这些专为功率应用设计的探头相比,其不可能提供所需的精度,来推动改善功率转换性能。

信号灵敏度

我们看一下通用探头存在短板的实例。在电源设计和测量中,一个常见的挑战是把噪声与纹波电压隔开。在本例中,我们要使用通用10X探头探测3.3 V电源。问题在于, 10X探头没有提供足够的灵敏度,触发波形中存在的周期噪声。这些探头非常适合许多通用电子测量,因为它们提高了示波器的电压范围,提供了相对较高的带宽。

然而,为了测量几十毫伏的小信号, 1:1 (1X)探头会是更好的选择,因为它导致的信号衰减不大,不会把信号向下推进到示波器的噪底。遗憾的是,这种灵敏度优势被它的带宽劣势抵消了,其带宽通常只有15 MHz左右。如果这种带宽对测量不够,那么最好使用无源2X探头。

事实证明,在这种应用中,2X探头是正确的选择。看一下图1中的波形。黄色轨迹是10X探头,它调整到每格10 mV的最低垂直设置;蓝色波形是2X探头。可以把2X探头调节到每格2 mV的最低垂直设置。由于电源输出会产生3 mV纹波的信号,因此很明显,10X衰减的探头不太适合这种测量。

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图1:使用2X探头(蓝色轨迹)和10X探头(黄色轨迹)测量3.3 V电源。

差分测量

上面讨论的纹波测量,只是电源设计和调试中能够安全高效地使用单端(参考地电平)探头的诸多应用中的一种。但许多功能转换测量要在浮动环境中完成,这些应用中是不能参考地电平的。

图2指明了没有绑到接地,要求差分测量技术的多种常见的功率转换测量:

1.MOSFET上的漏极到源极电压(VDS)
2.续流二极管上的二极管电压
3.电感和变压器电压
4.未接地的电阻器中的电压降

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图2:推/拉功率转换器上的部分差分测量点。

可以通过多种方式执行差分测量,包括:

•使用两只单端探头,计算电压差
•使用带有专门设计的浮动输入的示波器
•选择与测量最匹配的差分探头

使用两只单端探头

一种常用技术是使用两只单端探头,每只探头的地线接地,并在被测元件的两侧尖端,如图3所示。然后把示波器设置成显示通道1和通道2之差。这有时称为 “A-B”,它使用示波器中的数学运算来显示两条通道的电压差。在需要进行差分测量,但没有合适的测试设备时,工程师有时会使用这种技术。

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图3:使用两只单端探头进行准差分测量。

这种方法有几个问题。只有在探头和示波器通道非常匹配时(包括增益、偏置、延迟和频响),这种方法才会得到很好的测量结果。该方法不能提供非常好的共模抑制(清除两个输入共有信号的任何AC部分或DC部分)。此外,如果两个信号没有正确定标,可能会出现示波器输入过载的情况,得到错误测量结果。

使用浮动输入

我们也可以使用“浮动”示波器。这些示波器的每条输入通道在电气上与机箱接地隔离,然后示波器使用电池供电。示波器机箱到接地的寄生电容也非常低。浮动示波器的这些隔离特点,可以使用一只绝缘的无源探头来进行差分测量。这些仪器非常方便,使用简便,效果好。但是,差分电压探头的电容较低,要求高度平衡。

匹配的差分探头

为获得最好的测量精度,使用技术指标与测量任务相匹配的差分探头通常是最佳的选择。差分探头是有源器件。它们在探头尖端有一个专门设计的差分放大器,只测量经过两个测试点的电压,而不管任一测试点和接地之间的电位是多少,这就大大简化了探测任务,消除了某些可能的误差来源。另外,由于它们只测量差分电压,因此它们还可以忽略并清除可能存在的共模AC摆幅或DC偏置电压。

由于被测器件(DUT)不同部分的测量可能有着完全不同的要求,因此必须审慎地选择探头。在图4所示的实例中,手边的任务是测量被测电源MOSFET开关器件的开机损耗、关机损耗以及传导损耗。图4是带有测量点TP1和TP2的MOSFET的简化示意图。

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图4:带有多个测试点的MOSFET的简化示意图。

被测器件是一种“通用”电源,设计为从世界各国的AC线路(或“市电”)电压供电。仅此一项,就给工程师的测试要求及测试设备提出了多项要求:

•这种器件的额定输入电压一般在80 VAC ~ 250 VAC或更宽。为表征全球各种输入电压下的性能,不仅要执行一项测量,还要在多种输入电压下执行一系列测量。这适用于被测试的每个性能参数。开关特点(及相应损耗)预计在每个输入电压上都不同,可能不会以线性方式变化。这不仅提高了要执行的测量总数,还需要在测量之间实现可重复性。
•由于输入供电电压高达250 VAC,开关MOSFET中漏极和源极之间的电压预计会达到354 V或更高。探测解决方案必需拥有足够的通用性,来测量这些电压以及在某些测试中还要能够测量低得多的电压。

被测电源的开关速率为250 kHz。根据测量带宽常用的5倍法则,这相当于要求1.25 MHz的测量带宽。但这是现实世界信号速度的简化版,因为开关器件的实际上升时间预计会超过它一个量级。同样,可能还要考察尖峰、瞬态信号和其他噪声。如果要测量上升时间为几十纳秒的信号,那么探头的上升时间应在几纳秒。为在这个应用实例中准确地进行测量,测量系统的带宽应在350 MHz或更高。

小结

选择最好的探头与应用关系密切,因此必须了解应用的测量要求,确保探头与工作完全适应。对许多功率电子测量来说,差分探头是一个明确的选择,特别是没有参考地电平的测量。对参考地电平的测量,单端探头是一个很好的选择,但注意不要使用10X探头,以免过度衰减小信号。对低压信号,如纹波,最好使用1X探头或2X探头。

Author_Tek_20171103 作者Wilson Lee现任泰克科技公司高级市场经理。在加入泰克科技公司之前,Wilson拥有超过25年的专业经验,先后担任技术市场、技术销售主管等职位,如CTS电子元器件公司等制造商,以及Richardson RFPD和Premier Farnell等技术/增值分销商。Wilson一直专注于RF/无线、工控电源、工控自动化等细分市场内部的设计工作。Wilson从康奈尔大学获得理学学士学位。While在从业期间先后居住在纽约、芝加哥和亚洲,目前常住美国俄勒冈州大波特兰。

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