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用示波器对功率损耗进行高精度分析


用示波器对功率损耗进行高精度分析 示波器对功率损耗进行高精度分析

随着许多行业对开关电源需求的不断增长,测量和分析下一代开关电源的功率损耗就显得至关重要,本文介绍了如何利 用 TDS500O 系列数字荧光示波器,加上 TDSPWR2 功率测量软件进行功率损耗分析。

新型的开关电源(SMPS,SwitchModePowerSupply)需

要给具有数据传输速度高和 GHz 级处理器提供较低的电压合很高 的电流,这给电源设计人员在电源效率、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、有源功率因数校正和提高开关频率等新结构。这些技术也随之带来了某些更高的挑战, 如:开关器件上较高的功率损耗和过度的 EMI/EMC。

由于开关式电源耗散的功率决定了电源的效率及其热效应,所以测定开关器件和电感器/变压器的功率损耗是一项极为 重要的测量工作。设计人员在精确测量和分析各种设备的瞬时功率损耗时,所面临的挑战有下列几个方面:精确测量功率损 耗所需的测试装置;校正电压和电流探头传导延迟所造成的误差;计算非周期性开关变化的功率损耗图;分析负载动态变化 期间的功率损耗;计算电感器或变压器的磁芯损耗。

精确测量功率损耗所需的测试装置 精确测量功率损耗所需的测试装置 耗所需的测试装

图 1 所示为开关变换的简化电路。图 1 中的 MOSFET 没有与 AC 馈电线接地或电路输出接地连接,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。

图 1 开关内的电路示意图

在这种情况下,差分测量是测量 MOSFET 电压波形的最好方法。差分测量可测定漏极-源极电压(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,这取决于电源的电压范围。这里 可通过以下几种方法测量 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迸行测量。这种测量法叫做准 差分测量,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 设置不能准确测量电压,但可使用已有的探头。

*使用市场上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为接地电位,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,但较为昂贯,其成本是差分探头的 2~5 倍。

*在宽带示波器上使用真正的差分探头。可通过差分探头精确地测量 VDS,这是最好的方法。

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全预热后,便可设定示波器测量电压和电流波形的平均值。应使用实际测量所用的数 值设置敏感度。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。

校正因电压和电流探头传导延迟而造成的误差 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 号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。至此,测试设置现已准备就绪,可开始进行精确测量了。图 2 和图 3 所示为偏移校正之前和之 后的电流和电压信号。

图 2 电压和电流信号的传导延迟

图 3 图 2 所示信号在用 TDSPWR2 功率测量的分析软件“自动偏移校正”后的情形

计算非周期性开关信号上的功率损耗 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。我们可通过霍尔效应电流探头查看穿过开关器件的电流,而无须干扰电路本身。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器件的最小、最大和平均功率损 耗。在分析开关器件的功率耗散时,这些数据非常有用。这些数据将显示为 Turn on Loss(导通损耗)、Turn off Loss(关断损 耗)和 Power Loss(功率损耗)。在分析开关器件的功率耗散时,这些数据非常有用。如果知道了接通和断开时的功率损耗,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。注意,当负载转换时,开关器件的功率损耗也随 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,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,以此提供开关器件的有关信息。

负载动态变化期间的功率损耗分折 负载动态变化期间的功率损耗分折

在实际运行环境中,电源有着持续的动态负载变化。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耗点所生成的大量数据,因为它给开关器件造成了很大的应力。

TDSPWR2 的 HiPowerFinder 功能可避免分析深度内存数据所带来的挑战。只需在范围内选择感兴趣的点, HiPowerFinder 便可在深度内存数据内查找该点。找到该点后,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耗测量功能,可使用户迅速有效地分析开关器件的功率耗散情况。

计算电磁元件的功率损耗 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 他组件,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。因此电源设计人员需监视实际通电电源内的电感器或变压器的行为特征。故用 LCR 进行的测 试,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内电感器的行为特征。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 上进行进一步的分析。现在,用户可通过 TDSPWR2 直接在示波器 上进行 B-H 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 B-H 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。若需推导电感器或变压器的磁芯损耗,可在 主磁芯或次磁芯上进行功率损耗测量。这些结果之差即是磁芯的功率损耗(磁芯损耗)。这些测量值可揭示功率耗散区的信 息。

结论

TDSPWR2 分析软件具有开关器件功率损耗、HiPower Finder 和 B-H 分析等关键功能,可快速提供开关式电源的各项测 量值。如果与 TDS5000 系列、TDS7054 或 TDS7104 型数字荧光示波器一起使用,用户不仅能迅速查找功率耗散区域,并能 在动态情况下观察其功率耗散行为特征。


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