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456-PWR应用软件进行电源测量和分析


引言

当今电 源设 计人 员面临 着 越 来 越 大的压 力,需 要 实现 90%、甚至更高的功率转换效率。推动这种发展趋势的 因素,包括延长便携式电子器件中的电池续航时间、物 联网以及对功耗更低的“更加绿色的”产品的需求。许 多设 计正在使 用 GaN 或 SiC 开 关 器 件 代 替 硅 FETs 和 IGBTs。一如既往,产品上市时间压力正不断推动着测试 速度加快(同时还要非常准确)。

4 系列 B MSO 提供了 FlexChannel® 输入及新型图形用 户界面,设计人员可以一次测试多个测试点,从而加快测 试速度。高级功率测量和分析选项 (4/5/6-PWR) 为关键 功率测量自动完成设置过程,并提供了多种工具,根据电 源设计指标和标准评估测试结果。本应用指南将概括介 绍怎样使用泰克 4 系列 B MSO 示波器及 4/5/6-PWR 功 率分析软件进行重要的电源测量。

本应用指南将概括介绍怎样使用泰克 4 系列 B MSO 示 波器及 4/5/6-PWR 功率分析软件进行重要的电源测量。

准备电源测量

为进行准确测量,必须正确设置功率测量系统,精确地捕 获波形,进行分析和调试。要考虑的重要课题有:

  • 消除电压探头和电流探头之间的时延
  • 消除探头偏置
  • 对电流探头消磁

消除电压探头和电流探头之间的时延

在使用示波器进行功率测量时,必需测量经过被测器件 的电压及流经被测器件的电流。这项任务要求两只单独 的探头:一只电压探头(通常是高压差分探头)和一只电 流探头。每只电压探头和电流探头都有自己的传播延迟 特性,这些波形中产生的边沿可能并没有对准。电流探头 和电压探头之间的延迟差称为时延,会导致幅度和定时 测量不准确。

由于时延产生了定时延迟,因此它会导致定时差、相位和 功率系数测量不准确。许多测量系统可以“自动校准”仪 器内部的延迟,但在系统中增加探头时,必须补偿探头放 大器和电缆长度的差异。

泰克 4 系列 B MSO 可以补偿从探头尖端到测量系统的 延迟,确保进行最准确的定时测量。您可以手动校正探头 时延,把探头连接到相同的波形源,然后把延迟加到较 快信号的信号路径中,这样就可以在时间上对准信号,而 不必以物理方式在较短的探头电缆中增加电缆长度。

Static skew compensation between a differential voltage probe and current probe BEFORE Adjustment. These probes have onboard memory that stores their nominal propagation delays.
图 1. 在调节前对差分电压探头和电流探头之间的时延进行静态补偿。这些探头有 机载内存,存储着标称传播延迟。

4 系列 B MSO 还提供了单键“静态”时延校正功能。图 1 是两个 TekVPI® 功率探头之间的时延实例。示波器从探头中读取标称传播延迟,计算出两 只探头之间的延迟差约为 1.48 ns。您只需按 OK,Deskew 按钮就会调节 信号之间的相对定时。

Static skew compensation AFTER Adjustment. Note that -1.48 ns of deskew has been added, based on the propagation delays stored in the probes.
图 2. 调节后静态时延补偿。注意根据探头中 存储的传播延迟,已经增加了 -1.48 ns 的时延 校正。

图 2 显示了图 1 中使用的相同的测试设置在运行静态时延校正功能之后的 结果。如果使用的是非泰克探头,您需要手动校正电压和电流波形时延,配 置电流探头设置。

消除探头偏置

差分探头可能有很小的电压偏置。这个偏置可能会影响 精度,应先消除这个偏置后再继续测量。大多数差分电 压探头有内置 DC 偏置调节控制,因此去除偏置相对简 单。

类 似 的,必 需 先 调 节电 流 探 头 上 的 偏 置,然 后 才 能 进 行 测 量。通 过 把 DC 电 流 清 零 到 0A 的 中 位 数 值 或 尽 可能 接 近 0A,可以调节电流 探 头 偏置。TekVPI 探 头, 如 TCP0030AAC/DC 电 流 探 头,内 置了自动 Degauss/ AutoZero(消磁 / 自动清零)程序,只需按探头补偿盒上 的按钮,就可以完成操作,如图 3 所示。

Tektronix TCP0030A AC/DC Current Probe with Degauss/AutoZero.
图 3. 泰克 TCP0030A AC/DC 电流探头拥有 Degauss/ AutoZero( 消磁 / 自动清零 ) 功能。

对电流探头消磁

消磁功能会消除变压器磁芯中任何残留的 DC 流量,这 可能是由大量的输入电流引起的。这种残余流量会导致 偏置误差,应消除这种误差,提高测量的准确度。

泰克 TekVPI 电流探头提供了一个消磁警告指示灯,会警 告用户执行消磁操作。消磁警告指示灯非常重要,因为电 流探头会随着时间推移产生漂移,可能会明显影响测量。

解决宽带隙测试挑战

直到最近,半桥开关电路上管的开关测量几乎都是不可 能实现的。任何相对于开关节点的测量,包括高侧 VDS 和经过电流并联装置的电压,都会遭受明显共模电压信 号冲击差分信号导致的失真。这个问题在宽带隙器件中 变得更加严重,比如 GaN 和 SiC 晶体管,因为开关频率 提高了,必须优化全 新 设计。IsoVu 探头无可比拟的共 模抑制功能以及高级功率测量和分析自动化功能,为优 化最新 GaN 和 SiC 设计提供了杰出的解决方案。

Tektronix TCP0030A AC/DC Current Probe with Degauss/AutoZero.
图 4. 许多电源拓扑要求在存在大的共模信号时测量小的差分 电压。例如,半桥开关电路上管的 VGS 和 VDS 通常会相对于地 电平上下移动几百或几千伏的电压。IsoVuTM 隔离测量系统可以 与 4 系列 B MSO 结合使用,提供超高共模抑制功能。

输入分析

工频测量表征设计对输入变化、设计吸收的电流和功率 以及设计的工频电流失真的反应。某些测量如功耗是关 键指标。其他测量如功率因数和谐波,可能会有法规限 制。

功率质量测量

在 4/5/6-PWR 中,功率质量测量是一套标准功率测量。 它们通常在 AC 线路输入上执行,但也可以应用到器件的 AC 输出上,如功率逆电器。这些测量包括:

  • 频率
  • RMS 电压和电流
  • 波峰因数 ( 电压和电流 )
  • 有功率、无功功率和视在功率
  • 功率因数和相位

进行测量

通过使用差分探头测量系统的工频电压,使用电流探头 测量系统的工频电流,可以简便地进行功率质量测量。也 可以使用相同的设置,来测量电流谐波。

Power quality measurements paint a rich picture of the AC line. Line voltage is the upper waveform. Current is the red waveform. Instantaneous power is the orange waveform. The results badge (upper right) shows a summary of the line characteristics, and the results table in the upper section can be activated for more detailed data and statistics.
图 5. 功率质量测量绘制了丰富的 AC 线路图画。上方波形是工频电压,电流是红色波形,瞬时功率是橙色波形。结果标签 ( 右上方 ) 显示了工频特点摘要,上方区域的结果表可以激活,提供更详细的数据和统计信息。

测量结果

  • 频率:电压波形的频率,单位为 Hz
  • VRMS:显示的电压波形的均方根值
  • IRMS:显示的电流波形的均方根值
  • 电压波峰因数:电压的峰值幅度除以电压的 RMS 值
  • 电流波峰因数:电流的峰值幅度除以电流的 RMS 值
  • 有功率:测量的系统的实数功率,单位为瓦特 (W)
  • 无功功率:临时存储在电感或电容单元中的虚数功率,用 Volt-Amperes-Reactive (VAR) 表示
  • 视在功率:测量的复合功率的绝对值,单位为伏安 (VA)
  • 功率因数:有功率与视在功率之比
  • 相位:有功率与视在功率之间的角度,单位为度

谐波

当非线性器件使流入电路的电流失真时,就会发生电流 谐波。线性电路只在基础工频吸收电流,但非线性电路 在基础频率的倍数上吸收电流,每个谐波有不同的幅度 和相位。

在电流与谐波流经配电系统的阻抗时,会产生电压失真。 热量会在线缆和变压器中积聚,在连接到电网的开关电 源数量提高时,电网上的谐波失真也会提高。

因此,业内已经设计了多项标准,限制非线性负载对功 率质量的影响。业内已经开发了 IEC61000-3-2 和 MILSTD-1399 之类的标准,来限制谐

IEC61000-3-2 标准限制的是注入市电电源系统的电流 谐波。它适用于每一相输入电流最高 16A、连接到公共 低压配电系统 (230V AC 或 415V AC 三相 ) 的所有电气 和电子设备。该标准进一步分成 A 级 ( 平衡三相设备 )、 B 级 ( 便携式工具 )、C 级 ( 照明设备和调光装置 ) 和 D 级 ( 拥有独特的电流波形要求的设备 )。

MIL-STD-1399 对 设备(负载)提出了技术规范 和测试 要求,以保持兼容舰载 AC 功率系统,从计算机和通信设 备直到空调。

Setting up a basic current harmonics analysis requires just a few settings. This example shows settings for a pre-compliance check against industry standards.
图 6. 设置基本电流谐波分析只要求几个简单的设置。这个实例 显示了针对行业标准进行预一致性检查的设置

4/5/6-PWR 分析应用可以简便地测量电流谐波。它可以 以表格方式和图形方式显示测量结果。设计人员还可以 在认证之前,迅速比较器件性能与满足的标准,因为认 证通常会耗费大量时间,而且成本非常高。在示波器中 提供测量功能,不仅可以加快调试速度,还可以帮助避 免最后再为了满足法规要求而改变设计。

Harmonics results. The non-sinusoidal current waveform with can be seen in the lower right. The harmonics bar chart shows harmonic content on a decibel scale. The odd harmonics are most significant, but well within the IEC 61000-3- 2 limits.
图 7. 使用 4/5/6-PWR 获得的谐波结果。右下方可以看到非正弦电流波形及谐波。谐波条形图用分贝显示了谐波内容。奇数谐波最明显, 但完全落在 IEC 61000-3-2 极限范围内。

进行测量

使用差分电压探头测量工频电压,使用电流探头测量工频电流。

如果您想比较设计中的谐波与 IEC 61000-3-2 标准中的极限,那么必须 确定工频,必需选择等级类型。在 C 级和 D 级标准中,还需要把输入功率、 功率因数和基础电流输入到系统中。分析软件包将加载预先确定的极限 表,对比测得谐波与极限,然后将显示预一致性测试结果,如图 8 所示。

Up to 100 Harmonics may be displayed in graphical form. The table shows IEC 61000-3-2 pre-compliance testing results. Based on your settings the analysis package will load a pre-defined limit table and make comparisons between each measured harmonic and limits.
图 8. 可以以图形方式显示最多 400 个谐波。表中显示了 IEC 61000-3-2 预一致性测试结果。根据设置,分析软件包将加载预先确定 的极限表,对比每个测得的谐波与极限。

测量结果

  • Results 标签显示了选择的谐波标准、基础谐波和三阶谐波幅度、THD-F、THD-R、RMS 值和通过 / 未通过状态。
  • 可以选择各个谐波,测量值在结果标签、柱状图和结果表之间链接起来。
  • 谐波表包括:
    • 选择的谐波标准
    • 谐波数和频率
    • 幅度 (RMS):谐波测得的 RMS 幅度值,单位为 dBμA 或 A
    • 幅度 (%):相对于基础频率的谐波测得幅度
    • 相位:相对于频率基准的谐波相位,单位为度
    • 极限:指定标准规定的谐波极限
    • 状态:预一致性测试通过 / 失败状态
    • 裕量:实测值与极限之差
  • 电流谐波可以用分贝微安 (dBμA) 或安培 (A) 为单位显示
Automated inrush current measurement and capacitance measurement being performed on the current on Channel 7.
图 9. 对通道 7 上的电流执行自动浪涌电流测量和电容测量

浪涌电流和输入电容

通常,浪涌电流会在首次通电时出现。电源转换器在其 输入电容充电时会汲取相对较高的电流。初始浪涌之后, 除非发生其他系统变化,否则电流将维持在稳定状态。 浪涌电流测量可提供有关电源设计的重要信息,包括保 护器件的尺寸。在极端情况下,浪涌电流会导致交流线 路电压骤降。

此功率分析软件支持自动浪涌测量。功率分析软件会识 别浪涌区域并在显示器上标注,最后计算该区域内的浪 涌电流。

由于示波器会对电压和电流波形进行数字化处理,因此 软件还可通 过积分电流找到电荷,然 后使 用等式 c=q/ v 测量系统的输入电容。除了分析电源启动的特性之外, 动态电容测量还有助于分析切换装置中的栅极充电行 为。与其他电容测量技术相比,我们使用即时电流和电 压波形测量工作条件下的总电容。

浪涌电流和输入电容直接相关,且两者均可提供重要的 详细信息,让工程师充分了解电源转换器的启动特性。

Inrush occurs during a power supply turn-on. The current waveform shows gradually reducing peaks before it reaches steady state.
图 10. 电源接通时会发生浪涌。电流波形在达到稳定状态之前呈现出逐渐减小的峰值。
Switching Loss Measurements. The upper trace (orange) is calculated by multiplying current and voltage for instantaneous power. Loss measurements are performed on the instantaneous power waveform. Each loss region is annotated with colored markers that correspond to measurement labels. The bottom waveforms are the voltage across the switch and current through the switch.
图 11. 使用 4/5/6-PWR 进行开关损耗测量。把瞬时功率的电流和电压相乘,可以得到上方轨迹(橙色)。损耗测量在瞬时功率波 形上执行。每个损耗区域都用带颜色的标记标出,标记与测量标签对应。底部波形是开关上的电压和流经开关的电流。

开关分析

电源开关阶段的测量确认转换器是否正确运行,量化损 耗来源,确认器件在正常范围内工作。

开关损耗测量

在各种物理电容器和寄生电容器充电时,会发生开通损 耗,电感器会产生磁场,会发生相关的瞬态电阻损耗。 同样,在开关电源关断时,即使市电已经拔下,仍会有能 量放电并与各种元件交互,因此也会发生损耗。

进行测量

为了进行开关损耗测量,示波器必须测量经过开关上的 电压和流经器件的电流。开关损耗结果如图 11 所示。

测量结果

  • Ton:每个周期开通功率和能量损耗值的均值
  • Toff:每个周期关断功率和能量损耗值
  • Total:每个周期总平均功率损耗和平均能量值
  • 左右箭头按钮可以遍历开关周期,放大查看问题区域
  • 还可以在结果表中查看测量数据。这个表格会显示所 有开关周期的累积测量结果,迅速进行复核。
RDS(on) measurement. The Ch1 (yellow) waveform is the FET VDS voltage and the Ch2 (cyan) waveform is the FET current. The waveforms are inverted in phase to correctly indicate that the current is high in the conduction region. The Math plots the RDSon value and the results badge shows the minimum RDSon value calculated as per the Math waveform.In this case it is 1.13mOhms.
图 12. Rds(on)测量 Ch1(黄色)波形是 FET VDS 电压,Ch2(青色)波形是 FET 电流。波形会在相位上呈现反相的状态,以正确指 示导通区域中的电流更大。“数学”功能将会绘制 RDSon 值,且结果标签会显示根据数学波形计算的最小 RDSon 值。在图示这种 情况下为 1.13mOhms。

Rds(on)

T当开关器件处于导通状态并正在传导电流时,此测量可 分析 漏 极 至源极电阻特 性。动态导通电阻 是 指器 件导 通 时两端 的电 压与流 经 装 置的电流 之比。您 可以使 用 游 标 选 通 功 能 准 确 地 测 量 RDS(on),这 是 导 致 开 关 器件损耗的重要原因。

Safe Operating Area (SOA) graph of a transistor.
图 13. 晶体管的安全工作区 (SOA) 图。

安全工作区

开关晶体管的安全工作区(SOA)决 定着电压一定时可 以安全流经晶体管的电流。SOA 通常在 BJT、MOSFET 或 IGBT 开关晶体管的产品技术资料中作出规定。它表 示为 VCE(对 FET 为 VDS)相对于 ICE(或 IDS)关系图,描 述了晶体 管在不劣化或不 损坏的情况下可以 工作的范 围。

功率分析软件可以把器件产品技术资料中的 SOA 上传 到 4 系列 B MSO 中,然后您可以在实际器件上,测量电 压和电流。示波器记录 V-I 图,可以指明任何参数是否 超出 SOA。

进行测量

在电源中运行晶体管时,确定晶体管的 SOA 的主要 挑 战之一,是在各种负载场景、温度变动和工频输入电压 变化下准确地捕获电压和电流数据。4/5/6-PWR 自动实 现数据捕获和分析,简化了这一任务。测量要求探测开 关晶体管上的电压和流经的电流。

下一步是设置 SOA 模板,如图 15 所示,SOA 模板编辑器允许输入晶 体管的 SOA 极限,极限在晶体管产品技术资料中确定,或由您自己的 标准确定。

SOA Mask Editor window. The mask is defined by a set of (voltage, current) coordinates taken from the switching device datasheet, or may be user-defined.
图 14. 使用 4/5/6-PWR 进行 SOA 测试。如果数据点落在模板区域内,那么它们是黄色的,表示“通过”;如果落在模板区域外面,那 么它们是红色的,表示“未通过”。在本例中,V-I 曲线落在 SOA 外面,表明开关器件受到的压力过大。

测量结果

在设置完成后,会显示 SOA 测试 结果,如图 14 所示。电压和电流波 形在 XY 模式下在一条记录中绘制。示图显示了一个采集周期的所有 数据。

SOA using 5-PWR. If the data points fall inside the mask zone, they are yellow to indicate ‘pass’ and if they fall outside the mask zone, they are red to indicate ‘fail’. In this example, the V-I curve has gone outside the SOA, subjecting the switching device to excessive stress.
图 15. SOA 模 板编辑器窗口。模 板由一套(电 压 , 电流)坐标确定,坐标来自开关器件产品技 术资料,也可以由用户自己确定。

结果标签显示了器件落在 SOA 模板外面的次数,给出了测试通过 / 未 通过结果。

磁性分析

电感器和变压器用来为开关电源及线性电源中的存储器 件加电。某些电源还在输出上,在滤波器中使用电感器。 考虑到其在功率转换器中的重要作用,表征这些磁性器 件对确定电源的稳定性和整体效率具有至关重要的作 用。

4/5/6-PWR 中的磁性分析功能自动完成以下几组测量: 电感、磁性损耗和 B-H 参数。

电感

电感器的阻 抗会随着 频率 提高,较高频率的阻 抗 要高 于较低频率的阻抗。这种特点称为电感,单位用亨利为 表示。可以使用配备功率分析软件的示波器自动测量器 件的电感。

进行测量

4/5/6-PWR 应用对测量期间的电压求积分,然后除以电 流变化,计算出电感值。它探测经过磁性器件的电压及 流经磁性器件的电流,来进行测量。电感测量结果与图 14 中多种其他测量一起显示。黄色 (Ch1) 波形是经过 电感器的电压,青色波形 (Ch2) 是流经电感器的电流。 另外还显示了 B-H 曲线。

测量结果

电感:器件或电路的电感值

磁性损耗

分析磁性功率损耗是全面分析开关电源损耗的基本组 成部分。两种主要磁性损耗是磁芯损耗和铜缆损耗。铜 缆线圈的电阻会在电源中产生铜缆损耗。磁芯损耗与磁 芯中的漩涡电流损耗和磁滞损耗有关。磁芯损耗与 DC 通量无关,但受到 AC 通量摆幅和工作频率的影响。

进行测量

4/5/6-PWR 能够计算单线圈电感器、多线圈电感器、甚 至变压器中的磁性损耗。

在单线圈变压器中,会连接一只差分探头,测量经过主 线圈的电压。电流探头则测量流经变压器的电流。然后 示波器和功率测量软件可以自动计算磁性功率损耗。然 后会显示磁性功率损耗结果,如图 16 所示。

测量结果

功率损耗:由于磁性元件导致的总功率损耗

磁学属性 (B-H 曲线 )

磁性通量密度 B 指磁场的强度,单位为特斯拉,它决定 着磁场在运动电荷上施加的力。磁场强度或场强 H 指磁 化力,单位为 A/m。材料的磁导率 m 的单位为 H/m,衡 量的是材料由于应用的磁场而产生的磁化程度。

磁长和磁芯周围的线圈数等物理特点有助于确定磁性 材料的 B 和 H。B-H 曲线图通常用来检验开关电源中磁 性成分的饱和度(或匮乏度),用来衡量磁芯材料单位 容量中每个周期损耗的能量绘图。绘图会针对场强 H 绘 制磁性通量密度 B 的曲线。由于 B 和 H 都依赖磁性元 件的物理特点,如磁长和磁芯周围的线圈数,因此这些 曲线决定着元件磁芯材料的性能包络。

Magnetic measurements on an inductor. The Ch1 (yellow) waveform is the voltage across the inductor and the Ch2 (cyan) waveform is the inductor current. The B-H curve is shown in the center of the display. Inductance, magnetic loss, and magnetic properties are shown in results badges on the right.
图 16. 电感器上的磁性测量。Ch1( 黄色 ) 波形是经过电感器的电压,Ch2( 青色 ) 波形是流经电感器的电流。B-H 曲线在显示器中心 显示。电感、磁性损耗和磁学属性显示在右面的结果标签中。

进行测量

为生成 B-H 图,要测量经过磁性元件的电压和流经的 电流。在变压器中,主要是经过初级线圈和次级线圈的 电流。必须先在配置面板中输入电感器的圈数 (N)、磁长 (l) 和磁芯的横截面面积 (Ae),然后功率分析软件就可以 计算 B-H 曲线图。

高压差分探头连接到示波器的通道 1 上,经过变压器的 初级线圈。测得的这个电压是磁性元件中磁感应 B 的结 果。通道 2 使用电流探头测量流经初级线圈的电流。如 果需要,电流探头还用来测量流经通道 3 和通道 4 上次 级线圈的电流。然后功率分析软件使用示波器通道 2、3、 4 的数据计算磁化电流,然后使用磁化电流值,确定 H 成分。

磁学属性结果如图 16 所示。

测量结果

  • △B:通量密度变化。
  • △H:场强变化。
  • 磁导率:材料的磁化程度。
  • Bpeak:磁性元件中感应的最大磁性通量密度。
  • Br:曲线上 H = 0、且 B 仍为正值的点,这称为元件的 剩磁,是衡量元件顽磁性的一 个指标。剩磁 越高,材 料保留磁化的程度越高。
  • Hc:曲线上 B = 0、且 H 是负值的点。这代表着导致 B 达到零所要求的外部场。这个 H 值称为抗磁力。抗磁 力小,意味着元件可以简便地去磁。
  • Hmax:H 轴和磁滞环横截面上 H 的最大值。
  • 纹波:电流的峰峰值。
An isolation transformer / injection transformer is used to isolate the grounded signal source from the floating injection resistor.
图 17. 隔离变压器 / 注入变压器用于将接地信号源与浮动注入电阻隔离。

频率响应分析

控制环路频率响应

控制环路频率响应分析(通常称为伯德图)有助于分析 电源控制回路的频率响应特性。伯德图表示在一定频率 范围内计算出的反馈环路的增益和相位偏移,进而提供 有关控制环路速度和电源稳定性的重要信息。这可以使 用矢 量网络分析 仪(VNA)进 行 测量,但 还可以使 用示 波器和函数发生器进行测量。

为了测量电力系统的响应,必须将已知信号注入反馈回 路。对于此测量,使用 4/5/6 系列 MSO 中的任意波形 / 函数发生器(AFG)选配来产生指定频率范围内的正弦波。 直流 - 直流转换器或 LDO 必须在其反馈回路中配置一 个较小的(5-10Ω)注入电阻器 / 终端电阻器,以便将来 自函数发生器的干扰信号注入回路中。

在注入电阻两端连接一个在具有宽频宽范围内具有平 坦响 应的 注 入 变 压器,并将 接 地 信号源与电源 隔 离。 Picotest J2101A 注 入 变 压 器 的 频 率 范 围 为 10Hz45MHz,与 4/5/6 系列 MSO 的函数发生器选配吻合。 建议使用低电容、低衰减的无源探头(例如 TPP0502) 进行电压测量。这样可以在 6 系列 MSO 上以 500 µV/div 的垂直灵敏度进行测量,在 4/5 系列 MSO 上以 1 mV/div 的垂直灵敏度进行测量。

The start and stop frequency, amplitude, and points-per-decade determine the stimulus the generator will inject into the control loop.
图 18. 起始和终止频率、振幅和 10 倍频率范围的频率点数决 定了发生器将注入控制环路的激励。
An amplitude profile may be used to improve signal-to-noise ratio (SNR) of measurements. It enables application of lower amplitudes at frequencies where the DUT is sensitive to disturbances and higher amplitudes at frequencies where it is less sensitive.
图 19. 振幅自定 义曲线可用于改善测量的信噪比(SNR)。此 方法支持在 DUT 对干扰敏感的频率上应用较低的振幅,而在 DUT 对干扰不太敏感的频率上应用较高的振幅。

建立连接后,配置激励扫描。4/5/6-PWR 软件支持恒定 振幅和振幅自定义扫描。恒定振幅扫描在所有频率下均 维持相同的振幅。振幅自定义扫描支持在定义的频带指 定不同的振幅。振幅自定义扫描可用于改善测量的信噪 比(SNR)。

The software computes gain (green trace) as 20log (Vout/Vin). The red trace represents the phase shift between the injected signal and the output relative to -180°. Phase margin (PM) is measured where the gain curve crosses zero dB. Gain margin (GM) is measured when the phase curve crosses the zero-degree mark. The table shows gain and phase at each frequency.
图 20. 软件计算的增益(绿色迹线)为 20 log(Vout/Vin)。红色轨迹表示注入信号和输出之间相对于 -180°的相位偏移。在增益曲线 跨过 0dB 时测量相位裕度(PM)。当相位曲线跨过零度标记时测量增益裕度(GM)。该表显示了各频率的增益和相位。

相位裕度是在增益交叉频率处测量,该增益交叉频率会 出现在增益图跨过 0 db 时。相位图上的对应点给出了 相位裕度。

增益裕度是在相位交叉频率处测量,该相位交叉频率会 出现在相位跨过 -180 度时。相位是相对于 -180 进行绘 制,因此显示为零交叉。在此相位交叉频率处的相应增 益值给出了增益裕度。

The PSRR plot shows the attenuation of AC applied to the input of the supply on the output of the supply.
图 21. PSRR 图显示了在电源输出端上的交流(施加至输入端)衰减。

电源抑制比(PSRR)

电源抑制比表示电源能够防止其输入 上的交流噪声出现在其直流输出上的 能力。为了执行 PSRR 测试,将扫描正 弦 激 励 施 加到电源 的 输 入 端。此 测 量 需 要 直 流+交 流 网 络求 和 装 置,例 如 Picotest 的 J2120A 线路注入器。

A line injector is used to add an AC stimulus from the function generator to the DC input of the power supply.
图 22. 线路注入器用于将来自函数发生器的交流电激励加入电源的直流输入。

4/5/6-PWR 软 件可自动 进 行 扫 描,并 测量每个频率的输入输出信号。此软件 会 以 20 Log(Vin/Vout)计 算 频 带 内 每个频率上的衰减比,并在显示器上绘 制测量值。

Impedance measurement setup. Power rail probes offer high sensitivity and high impedance at DC and 50 Ω AC input impedance for low loading. Alternatively, a P6150 probe may be used if available, or an SMA cable with DC block.
图 23. 阻抗测量设定。电源轨探头在直流和 50Ω 交流输入阻抗下可提供高灵敏度和高阻抗,以实现低负载。或者,可以使 P6150 探 头(如果有)或使用带直流阻隔的 SMA 电缆。

阻抗测量

分析配电网络的阻抗有助于确定系统内噪声的影响。阻 抗曲线表示特定频带上的阻抗值。DUT 可能是 PDN(包 括电路板走线和电容器)的组合阻抗,或者是组件或子 系统,例如稳压器模块(VRM)。

阻抗测量通常使用 VNA 执行,但是典型的 VNA 无法在 低频下进行测量或测量 <10mΩ 的低阻抗值。基于示波 器的系统可以 量 测低至 1Hz 的频率。基于示波器的解 决方案还可以在扫描过程中同时显示来自 DUT 的输入 和输出信号,因此可以观察到时域变化。

示波器还具有在执行分析时显示时域波形(包括激励信 号和响应)的好处。若使用 VNA,则无法使用这些功能。

若要 执行 测量,必须将 接地 示 波器 与 DUT 隔离。在图 23 所示的示例系统中,Picotest J2113A 差动式放大器 变压器可用于此目的。50Ω 功率分配器用于将信号从函 数发生器发送到 DUT 和示波器上的通道 1。

An impedance versus frequency measurement plot. The curve has three peaks indicating changes in impedance values as frequency is varied. The goal is a flat impedance plot, with any peaks falling below the target impedance. Cursors may be used to measure any point on the curve.
图 24. 阻抗与频率测量图。曲线具有三个峰值,表示阻抗值随频率变化而变化。目标是生成一张平坦的阻抗图,其中的任何峰值 均低于目标阻抗。游标可用于测量曲线上的任意点。

输出分析

必须评估任何 DC 电源输出的稳定性和噪声。5-PWR 高 级功率测量和分析软件为量化和分类纹波提供了多种工 具。

工频纹波和开关纹波

简而言之,纹波是叠加到电源 DC 输出上的 AC 电压,用 正常输出电压的百分比或峰峰值电压表示。

电源输出上显示两类纹波:工频纹波度量的是与工频频 率有关的纹波,开关纹波度量的是根据确定的开关频率 从开关电源输出检测到的纹波数量。

输出工频纹波通常是工频频率的两倍,开关纹波则一般 与噪声耦合,在 kHz 频率范围内。把工频纹波与开关纹 波分开,是电源表征中最大的挑战之一。功率分析软件 大大简化了这项任务。

进行测量

只需使用一只电压探头,就可以测量系统的纹波。差分 探头必须连接到系统的输出上,才能测量输出工频和开 关纹波电压。

Line Ripple configuration tab for 5-PWR.
图 25. 4/5/6-PWR 的工频纹波配置标签。

工频纹波和开关纹波的配置标签(参见图 25)非常像。 这两种纹波测量都要求选择输入耦合 (AC 或 DC)模式、 要求的带宽限制(20MHz、150/250MHz 或全带宽)及 示波器的采集模式 - 采样、峰值检测或高分辨率(High Res)。在工频纹波测量中,必须确定系统的工频频率: 50 Hz 或 60 Hz 或 400 Hz。开关纹波测量要求开关频 率指标。

一旦测量配置完毕,会显示结果,如图 26 所示。

Switching Ripple results.
图 26. 使用 4/5/6-PWR 测量开关纹波。

测量结果

峰峰值和 RMS 纹波值:这些是系统工频或开关纹波的 峰峰值和 RMS 电压。

Efficiency measurement in which a single AC voltage and current are used to determine input power, and power is measured on three outputs simultaneously to find total efficiency.
图 27. 使用 5-PWR 进行效率测量。

效率

器件或产品效率高,是当今激烈竞争的市场环境中决定成败的一个关键因素。高级功率测量和分析软件可以简便地 测量功率转换 (AC-DC,AC-AC,DC-DC,DC-AC) 产品的效率。对拥有最多 3 个输出的功率产品,高级功率测量和分析 软件使得设计人员可以立刻测试整个系统的效率,加快测试和验证速度。

图 27 显示了拥有 1 个输入和 3 个输出的 AC-AC 转换器上的效率测量结果,其中使用演示电路板和数学信号仿真多 输出器件。我们测量(在本例中仿真)了每个输入和输出的电压和电流:

  • Ch 3: 输入电压
  • Ch 4: 输入电流
  • Ch 7: 输出 1 电压
  • Ch 8: 输出 1 电流
  • Math 3: 输出 2 电压
  • Math 4: 输出 2 电流
  • Math 6: 输出 3 电压
  • Math 7: 输出 3 电流

注意上例中使用了自定义标签,识别起来非常简便。应 用软件根据需要自动创建数学功率波形。在上面的实例 中,这些波形都是自动创建的:

  • Ch3: 输入电压
  • Ch4: 输入电流
  • Ch7: 输出 1 电压
  • Ch8: 输出 1 电流
  • Math1: 输入 1 功率
  • Math2: 输出 1 功率
  • Math5: 输出 2 功率
  • Math8: 输出 3 功率
Efficiency measurement configuration allows user to configure the type of signal and up to 3 outputs.
图 28. 效率测量配置允许用户配置信号类型及最多 3 个输出。

应用会计算被测器件的各种效率和总效率,在结果标签 中显示。还可以打开结果表,用 .MHT 或 PDF 格式保存 报告。

figure 29
图 29.

导通时间

导通时间是施加输入电压后达到电源输出电压所需的时间。一个通道用于测量输入,示波器的任何剩余通道可用于 测量输出。这样可以在一次采集中测量多个电源轨。

figure 30
图 30.

关断时间

关断时间是移除输入电压后使电源的输出电压接近于零所需的时间。

交流 - 直流和直流 - 直流导通时间测量技术可扩展至验证多路输出电源的通 电和断电顺序。

在导通和关断期间,电源输出的时序和顺序关系着最终产品是否能可靠运作, 以及保证装置不间断正常运行。设计人员将会关注如何调整其终端装置,如 UPS 在指定时间内回到稳定状态。例如,电池充电后以连续的方式产生直 流输出,而逆变器系统则连续充电至交流干线中。如果电源中断,则电池会 为逆变器供电。关断时间很重要,这样电池才能在指定的时间内启动。

生成报告

数据采 集、归 档 和文 档管 理 通常是设 计 和开发 过程中 繁琐而又必要的任务。4/5/6-PWR 配有一个报告生成 工具,在实践中可以轻松编制测量结果文档。

通过使用示波器的 “Save as”(另存为)功能,可以生成、 并在示波器屏幕上显示指定布局的报告成品。

Reports are available in .MHT or .PDF file formats.
图 31. 报告以 .MHT 或 .PDF 文件格式提供。

小结

通过结合使用 4/5/6-PWR 应用与 5 系列 MSO 示波器, 工程师可以迅速进行准确的、可重复的测量,而且设置 时间非常短。最重要的是,他们不需要进行手动计算, 示波器应用完成了计算工作。通过使用截图和报告,工 程师可以简便地提供仪器设置方式、波形和测量结果等 完整的文档。

哪款探头适合您的应用?

在 与 适 当 的 功 率 探 头 相 结 合 时,4 系 列 B MSO 示 波 器 实 现 了最 好 的 功 率 测 量 性 能。4 系 列 B MSO 配 有 TekVPI 探 头 接 口,在 示 波 器 和 探 头 之 间 实 现 通 信。 如 需了解 具体 推 荐 型号的差 分探 头和电 流 探 头,包 括 IsoVu 隔离探头和 Rogowski 探头及必要的探头转接 头,敬请参阅 www.tek.com.cn/accessories

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