利用数字示波器测试开关电源的方法

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从传统的模拟型电源到高效的开关电源,电源的种类和大小千差万别。它们都要面对复杂、动态的工作环境。设备负载和需求可能在瞬间发生很大变化。即使是“日用的”开关电源,也要能够承受远远超过其平均工作电平的瞬间峰值。设计电源或系统中要使用电源的工程师需要了解在静态条件以及*差条件下电源的工作情况。

过去,要描述电源的行为特征,就意味着要使用数字万用表测量静态电流和电压,并用计算器或PC进行艰苦的计算。今天,大多数工程师转而将示波器作为他们的**电源测量平台。现代示波器可以配备集成的电源测量和分析软件,简化了设置,并使得动态测量更为容易。用户可以定制关键参数、自动计算,并能在数秒钟内看到结果,而不只是原始数据。

电源设计问题及其测量需求

理想情况下,每部电源都应该像为它设计的数学模型那样地工作。但在现实世界中,元器件是有缺陷的,负载会变化,供电电源可能失真,环境变化会改变性能。而且,不断变化的性能和成本要求也使电源设计更加复杂。考虑这些问题:

电源在额定功率之外能维持多少瓦的功率?能持续多长时间?电源散发多少热量?过热时会怎样?它需要多少冷却气流?负载电流大幅增加时会怎样?设备能保持额定输出电压吗?电源如何应对输出端的完全短路?电源的输入电压变化时会怎样?

设计人员需要研制占用空间更少、降低热量、缩减制造成本、满足更严格的EMI/EMC标准的电源。只有一套严格的测量体系才能让工程师达到这些目标。

示波器和电源测量

对那些习惯于用示波器进行高带宽测量的人来说,电源测量可能很简单,因为其频率相对较低。实际上,电源测量中也有很多高速电路设计师从来不必面对的挑战耐压仪。

整个开关设备的电压可能很高,而且是“浮动的”,也就是说,不接地。信号的脉冲宽度、周期、频率和占空比都会变化。必须如实捕获并分析波形,发现波形的异常。这对示波器的要**苛刻的。多种探头——同时需要单端探头、差分探头以及电流探头。仪器必须有较大的存储器,以提供长时间低频采集结果的记录空间。并且可能要求在一次采集中捕获幅度相差很大的不同信号。

开关电源基础

大多数现代系统中主流的直流电源体系结构是开关电源(SMPS),它因为能够有效地应对变化负载而众所周知。典型SMPS的电能信号路径包括无源器件、有源器件和磁性元件。SMPS尽可能少地使用损耗性元器件(如电阻和线性晶体管),而主要使用(理想情况下)无损耗的元器件:开关晶体管、电容和磁性元件。

SMPS设备还有一个控制部分,其中包括脉宽调制调节器脉频调制调节器以及反馈环路1等组成部分。控制部分可能有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图,图中显示了电能转换部分,包括有源器件、无源器件以及磁性元件。

SMPS技术使用了金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)与绝缘栅双极晶体管(IGBT)等功率半导体开关器件。这些器件开关时间短,能承受不稳定的电压尖峰。同样重要的是,它们不论在开通还是断开状态,消耗的能量都极少,效率高而发热低。开关器件在很大程度上决定了SMPS的总体性能。对开关器件的主要测量包括:开关损耗、平均功率损耗、**工作区及其他测功机。

准备进行电源测量

准备进行开关电源的测量时,一定要选择合适的工具,并且设置这些工具,使它们能够准确、可重复地工作。当然示波器必须具备基本的带宽和采样速率,以适应SMPS的开关频率。电源测量*少需要两个通道,一个用于电压,一个用于电流。有些设施同样重要,它们可以使电源测量更容易、更可靠。下面是一部分要考虑的事项:

仪器能在同一次采集中处理开关器件的开通和断开电压吗?这些信号的比例可能达到100,000:1。

有可靠、准确的电压探头和电流探头吗?有可以校正它们的不同延迟的有效方法吗?

有没有有效的方法来将探头的静态噪声降至*低?

仪器能够配备足够的记录长度,以很高的采样速率捕获较长的完整工频波形吗?

这些特征是进行有意义且有效的电源设计测量的基础。

测量一次采集中的100伏和100毫伏电压

要测量开关器件的开关损耗和平均功率损耗,示波器首先必须分别确定在断开和开通时开关器件上的电压。

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