隨著許多行業對開關電源需求之不斷增長,測量和分析下一代開關式電源的功率損耗就顯的至關重要。在這個應用領域,TDS5000或TDS7000系列數字熒光示波器,加上TDSPWR2功率測量軟件可助您輕松完成所需的測量和分析任務。
新型的開關式電源體系結構,需要給具有數據速度高和GHz級處理器提供很高的電流和較低的電壓,這給電源裝置設計人員在效率、功率密度、可靠性和成本幾方面,增加了無形的新壓力。為了在設計中考慮到這些需求,設計人員采用了同步整流技術、有源功率濾波校正和提高開關頻率等新型體系結構。這些技術也隨之帶來了某些更高的挑戰,如:開關裝置上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC。
從“關”（導通）至“開”（關斷）狀態的轉換期間,電源裝置會出現較高的功率損耗。（而處于“開”或“關”狀態之中的開關裝置的功率損耗則較少,因為通過裝置的電流或裝置上的電壓很小）。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負載電流。電感器和變壓器也易受開關頻率的影響,從而導致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。
由于開關式電源裝置內耗散的功率,決定了電源熱效應的總體效率,所以測定開關裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作。這種測量可測定功率效率和熱耗散。（SMPS:Switch Mode Power Supply）
功率損耗的測量和分析
1、功率損耗測量所需的測試裝置
圖1所示為開關變換的簡化電路。MOSFET場效應功率晶體管在40kHz時鐘的激勵下控制著電流。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行簡單的接地參考電壓測量,因為若把探頭的接地導線連接在MOSFET的任何端子上,都會使該點通過示波器與接地短路。
在這種情況下,差分測量是測量M0SFET電壓波形的方法。通過差分測量,您可測定VDS,即MOSFET的漏子和源子上的電壓。VDS可在電壓之上浮動,電壓范圍可為幾十伏至幾百伏,這取決于電源裝置的電壓范圍。您可通過幾種方法測量VDS:
·懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用,因為這樣極不安全,對用戶、被測設備和示波器都有危險。
·使用兩個常規的單端無源探頭，將其接地導線連接在一起,然后用示波器的通道計算功能進行測量。這種測量法叫做準差分測量。然而，雖然無源探頭可與示波器的放大器結合使用，但缺少可適當阻止任何共模電壓的“共模抑制比”（CMRR）功能。這種設置不能準確地測量電壓，但可使用已有的探頭。
·使用商店里可以買到的探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭的接地導線將不再主接地電位，并可將探頭與一個測試點直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案,但較為昂貴，其成本是差分探頭的兩至五位。
·在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。您可通過差分探頭地測量VDS，也是的方法。
通過MOSFET進行電流測量時，先將電流探頭夾好，然后微調測量系統。許多差分探頭都裝有內置的直流偏移微調電容器。關閉被測設備，待示波器和探頭完人暖機后，便可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。敏感度設置應使用實際測量所用的數值。在沒有信號的情況下，調整微調電容器，將每一波形的零位平均值調至0V。這一步驟可zui大限度地減少因測量系統內的靜態電壓和電流而導致的測量誤差。
2、校正因電壓和電流探頭傳導延遲而造成的誤差
在開關式電源內進行任何功率損耗測量之前，應先同步電壓和電流信號，以消除傳導延遲，這一點很重要。這一過程被稱作“偏移校正”。傳統的方法是先計算電壓和電流信號之間的時滯，然后再以手動方式通過示波器的偏移校正范圍調整時滯。但這是一個非常冗長乏味的過程。
一種較簡單的方法是采用一種偏移校正夾具和一部TDS5000系列示波器。進行偏移校正時,將差分電壓探頭和電流探頭,連接到偏移校正夾具的測試點上。偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號激勵。如果需要,還可用外部信源激勵偏移校正夾具。
TDSPWR2軟件的偏移校正能力,可自動設置示波器并計算由于探接而造成的傳導延遲。偏移校正功能隨后便可使用示波器的偏移校正范圍,并對時滯進行自動補償。測試設置現已準備就緒,可開始進行測量了。
3、計算非周期性開關信號上的功率損耗
如果發射極或漏極有接地,測量動態的開關參數則較為簡單。但您需在浮動電壓上,測量差動電壓。若需地鑒定并測量差動開關信號,使用差分探頭。您可通過霍爾效應電流探頭查看穿劃開關裝置的電流,而無需干擾電路本身。此時便可用TDSPWR2的自動偏移校正功能,去除前面解釋的傳導延遲。
TDSPWR2軟件的“開關損耗”功能可自動計算功率波形,并根據捕獲的數據測量開關裝置的量小、zui大和平均功率損耗。在分析開關裝置的功率耗散時,這些數據非常有用。如圖4所示,這些數據將顯示為Turn on Loss（導通損耗）、Turn of Loss（關斷損耗）和Power Loss（功率損耗）。在分析開關裝置的功率耗散時,這些數據非常有用。如果知道了接通和斷開時的功率損糙,您便可著手解決電壓和電流躍遷,以減少功率損耗。
開關裝置在導通時的zui小、zui大和平均功率損耗
在負載變化期間,SMPS的控制回路將變換開關頻率以驅動輸出負載。圖5所示為負載轉換時的功率波形。請注意,當負載轉換時,開關裝置的功率損耗也隨之變化。所產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非常冗長乏味的任務。然而,TDSPWR2的測量能力,可自動計算zui小功率損耗、zui大功率損耗和平均功率損耗,以此提供開關裝置的有關信息。
開關裝置的zui小、zui大和平均功率損耗
4、負載動態變化期間的功率損耗分析
在實際運行環境中,電源裝置有著持續的動態負載變化。轉換時的功率損耗在負載變化期間亦有變化。所以測量中很重要的一步,是要捕獲整個負載變化事件,并對開關損耗進行鑒定,以確保電源裝置不因這些而過載。
當今,大部分設計人員都采用具有深度內存（2MB）和高取樣速率的示波器,按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的挑戰,是如何分析各開關損花點所生成的大量數據,因為它給開關裝置造成了很大的應力。
TDSPWR2的HiPower Finder功能,可避免分析深度內存數據所帶來的挑戰。在開關裝置上,使用HPower Finder功能獲得的典型功率波形之結果。
HiPower Finder功能的查找結果：開關裝置負載變化時的功率波形
HPower Finder的*能力。所示結果為:捕獲數據中的開關事件次數匯總和開關損耗zui大值/zui小值。此時,您可輸入您感興趣的范圍,以此查看所需的開關損耗點。您只需在范圍內選擇感興趣的點,HiPower Finder便可在深度內存數據內查找該點。找到該點后,您可用TDSPWR2在光標位置周圍放大,以詳細觀察其活動。這一功能,加上前面提及的開關損起測量功能,可使您迅速而有效地分析開關裝置的功率耗散情況。
計算電磁元件的功率損耗
另一種可減少功率損耗的方法與磁芯有關。從典型的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,因此不僅會影響功率效率,而且可造成熱耗散。
電感器的測試通常采用LCR。LCR使用一正弦波作為測試信號。在開關式電源裝置中，電感器將被加載上高壓、高電流開關信號，但都不是正弦信號。因此電源裝置設計人員需監視實際通電電源裝置內的電感器或變壓器的行為特征。故用LCR進行的測試，可能不能反映實際情況。
觀察磁芯特征的zui有效方法是通過B-H曲線，因為B-H曲線能迅速揭示電源裝置內電感器的行為特征。TDSPWR2可使您用實驗室的示波器,快速進行B-H分析,無需使用昂貴的工具。
在電源裝置的接通和穩態期間,電感器和變壓器有不同的行為特征。以前,若需查看和分析B-H特征,設計人員須先捕獲信號,然后在個人PC機上進行進一步的分析。現在,您可通過TDSPWR2直接在示波器上進行BH分析,即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時,TDSPWR2還可在示波器上提供BH圖和捕獲數據間的光標鏈接。
TDSPWR2的B-H分析能力,還可在實際的SMPS環境中自動測量功率損耗和電感器值。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗,可在主磁芯,也可在次磁芯上進行功率損耗測量。這些結果之差乃是磁芯的功率損耗（磁芯損耗）。另外,在無負載情況下,主磁芯之功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內的總功率損耗。這些測量值可揭示功率耗散區的信息。
結論
可與TDS5000系列、TDS7054或TDS7104型數字熒光示波器一起使用的TDSPWR2功率測量和分析軟件的開關裝置功率損耗、HiPower Finder和B-H分析功能,可較快地提供開關式電源裝置的各項測量值,從而使您能迅速查找功率耗散區域,并在動態情況下觀察其功率耗散行為特征。
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