原创 数字荧光示波器在开关电源功率损耗测量中的应用

 
引言

　　随着许多行业对开关电源需求之不断增长,测量和分析下一代开关式电源的功率损耗就显的至关重要。在这个应用领域,TDS5000或TDS7000系列数字荧光示波器,加上TDSPWR2功率测量软件可助您轻松完成所需的测量和分析任务。

　　新型的开关式电源(SMPS:Switch Mode Power Supply)体系结构,需要给具有数据速度高和GHz级处理器提供很高的电流和较低的电压,这给电源装置设计人员在效率、功率密度、可靠性和成本几方面,增加了无形的新压力。为了在设计中考虑到这些需求,设计人员采用了同步整流技术、有源功率滤波校正和提高开关频率等新型体系结构。这些技术也随之带来了某些更高的挑战,如:开关装置上较高的功率损耗、热耗散和过度的EMI/EMC。

　　从“关”(导通)至“开”(关断)状态的转换期间,电源装置会出现较高的功率损耗。(而处于“开”或“关”状态之中的开关装置的功率损耗则较少,因为通过装置的电流或装置上的电压很小)。电感器和变压器可隔离输出电压并平滑负载电流。电感器和变压器也易受开关频率的影响,从而导致功率耗散和偶尔由于饱和而造成故障。


　　由于开关式电源装置内耗散的功率,决定了电源热效应的总体效率,所以测定开关装置和电感器/变压器的功率损耗是一项极为重要的测量工作。这种测量可测定功率效率和热耗散。


功率损耗的测量和分析

　　1、精确功率损耗测量所需的测试装置

　　图1所示为开关变换的简化电路。MOSFET场效应功率晶体管在40kHz时钟的激励下控制着电流。图1中的MOSFET没有与AC馈电线接地或电路输出接地的连接,即与地隔离。因此无法用示波器进行简单的接地参考电压测量,因为若把探头的接地导线连接在MOSFET的任何端子上,都会使该点通过示波器与接地短路。

　　在这种情况下,差分测量是测量M0SFET电压波形的最好方法。通过差分测量,您可测定VDS,即MOSFET的漏极端子和源极端子上的电压。VDS可在电压之上浮动,电压范围可为几十伏至几百伏,这取决于电源装置的电压范围。您可通过几种方法测量VDS:

　　?悬浮示波器的机箱地线。建议不要使用,因为这样极不安全,对用户、被测设备和示波器都有危险。
　　?使用两个常规的单端无源探头，将其接地导线连接在一起,然后用示波器的通道计算功能进行测量。这种测量法叫做准差分测量。然而，虽然无源探头可与示波器的放大器结合使用，但缺少可适当阻止任何共模电压的“共模抑制比”（CMRR）功能。这种设置不能准确地测量电压，但可使用已有的探头。
　　?使用商店里可以买到的探头隔离器隔离示波器机箱接地。探头的接地导线将不再主接地电位，并可将探头与一个测试点直接连接。探头隔离器是一种有效的解决方案,但较为昂贵，其成本是差分探头的两至五位。
　　?在宽带示波器上使用真正的差分探头。您可通过差分探头精确地测量VDS，也是最好的方法。

　　通过MOSFET进行电流测量时，先将电流探头夹好，然后微调测量系统。许多差分探头都装有内置的直流偏移微调电容器。关闭被测设备，待示波器和探头完人暖机后，便可设定示波器测量电压和电流波形的平均值。敏感度设置应使用实际测量所用的数值。在没有信号的情况下，调整微调电容器，将每一波形的零位平均值调至0V。这一步骤可最大限度地减少因测量系统内的静态电压和电流而导致的测量误差。

　　2、校正因电压和电流探头传导延迟而造成的误差

　　在开关式电源内进行任何功率损耗测量之前，应先同步电压和电流信号，以消除传导延迟，这一点很重要。这一过程被称作“偏移校正”。传统的方法是先计算电压和电流信号之间的时滞，然后再以手动方式通过示波器的偏移校正范围调整时滞。但这是一个非常冗长乏味的过程。

　　一种较简单的方法是采用一种偏移校正夹具和一部TDS5000系列示波器。进行偏移校正时,将差分电压探头和电流探头,连接到偏移校正夹具的测试点上。偏移校正夹具由示波器的Auxiliary输出或Cal-out信号激励。如果需要,还可用外部信源激励偏移校正夹具。

　　TDSPWR2软件的偏移校正能力,可自动设置示波器并计算由于探接而造成的传导延迟。偏移校正功能随后便可使用示波器的偏移校正范围,并对时滞进行自动补偿。测试设置现已准备就绪,可开始进行精确测量了。

　　3、计算非周期性开关信号上的功率损耗

　　如果发射极或漏极有接地,测量动态的开关参数则较为简单。但您需在浮动电压上,测量差动电压。若需精确地鉴定并测量差动开关信号,最好使用差分探头。您可通过霍尔效应电流探头查看穿划开关装置的电流,而无需干扰电路本身。此时便可用TDSPWR2的自动偏移校正功能,去除前面解释的传导延迟。

　　TDSPWR2软件的“开关损耗”功能可自动计算功率波形,并根据捕获的数据测量开关装置的量小、最大和平均功率损耗。在分析开关装置的功率耗散时,这些数据非常有用。如图4所示,这些数据将显示为Turn on Loss(导通损耗)、Turn of Loss(关断损耗)和Power Loss(功率损耗)。在分析开关装置的功率耗散时,这些数据非常有用。如果知道了接通和断开时的功率损糙,您便可着手解决电压和电流跃迁,以减少功率损耗。



　　在负载变化期间,SMPS的控制回路将变换开关频率以驱动输出负载。图5所示为负载转换时的功率波形。请注意,当负载转换时,开关装置的功率损耗也随之变化。所产生的功率波形将是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件非常冗长乏味的任务。然而,TDSPWR2的高级测量能力,可自动计算最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗,以此提供开关装置的有关信息。



　　4、负载动态变化期间的功率损耗分析

　　在实际运行环境中,电源装置有着持续的动态负载变化。图5所示情况表明,转换时的功率损耗在负载变化期间亦有变化。所以测量中很重要的一步,是要捕获整个负载变化事件,并对开关损耗进行鉴定,以确保电源装置不因这些而过载。

　　当今,大部分设计人员都采用具有深度内存(2MB)和高取样速率的示波器,按要求的分辨率捕获事件。但随之而生的挑战,是如何分析各开关损花点所生成的大量数据,因为它给开关装置造成了很大的应力。

　　TDSPWR2的HiPower Finder功能,可避免分析深度内存数据所带来的挑战。图6所示是在开关装置上,使用HPower Finder功能获得的典型功率波形之结果。



　　图6展示了HPower Finder的独特能力。所示结果为:捕获数据中的开关事件次数汇总和开关损耗最大值/最小值。此时,您可输入您感兴趣的范围,以此查看所需的开关损耗点。您只需在范围内选择感兴趣的点,HiPower Finder便可在深度内存数据内查找该点。找到该点后,您可用TDSPWR2在光标位置周围放大,以详细观察其活动。这一功能,加上前面提及的开关损起测量功能,可使您迅速而有效地分析开关装置的功率耗散情况。

　　计算电磁元件的功率损耗

　　另一种可减少功率损耗的方法与磁芯有关。从典型的AC/DC和DC/DC线路图来看,电感器和变压器是耗散功率的其它组件,因此不仅会影响功率效率,而且可造成热耗散。

　　电感器的测试通常采用LCR。LCR使用一正弦波作为测试信号。在开关式电源装置中，电感器将被加载上高压、高电流开关信号，但都不是正弦信号。因此电源装置设计人员需监视实际通电电源装置内的电感器或变压器的行为特征。故用LCR进行的测试，可能不能反映实际情况。

　　观察磁芯特征的最有效方法是通过B-H曲线，因为B-H曲线能迅速揭示电源装置内电感器的行为特征。TDSPWR2可使您用实验室的示波器,快速进行B-H分析,无需使用昂贵的专用工具。

　　在电源装置的接通和稳态期间,电感器和变压器有不同的行为特征。以前,若需查看和分析B-H特征,设计人员须先捕获信号,然后在个人PC机上进行进一步的分析。现在,您可通过TDSPWR2直接在示波器上进行BH分析,即时观察电感器行为特征。在做深入分析时,TDSPWR2还可在示波器上提供BH图和捕获数据间的光标链接。

　　TDSPWR2的B-H分析能力,还可在实际的SMPS环境中自动测量功率损耗和电感器值。若需推导电感器或变压器的磁芯损耗,可在主磁芯,也可在次磁芯上进行功率损耗测量。这些结果之差乃是磁芯的功率损耗(磁芯损耗)。另外,在无负载情况下,主磁芯之功率损耗是次磁芯包括磁芯损耗在内的总功率损耗。这些测量值可揭示功率耗散区的信息。


结论

　　可与TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型数字荧光示波器一起使用的TDSPWR2功率测量和分析软件的开关装置功率损耗、HiPower Finder和B-H分析功能,可较快地提供开关式电源装置的各项测量值,从而使您能迅速查找功率耗散区域,并在动态情况下观察其功率耗散行为特征。