引言
電源分成許多不同的類型和規(guī)格，包括傳統(tǒng)線性電源到的開(kāi)關(guān)電源（smps）。所有這些電源都面臨著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求在不同時(shí)間之間可能會(huì)大幅度變化。即使是“日常的”開(kāi)關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平均工作電流的峰值電流。
此外，必須檢定電源的功率電平、輸出純度和到電源線的諧波反饋，以滿足國(guó)家和地區(qū)電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。從歷*看，這些測(cè)量類型意味著使用數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行靜態(tài)電流和電壓測(cè)量，然后在計(jì)算器或pc上進(jìn)行麻煩的計(jì)算。
今天，大多數(shù)工程師正轉(zhuǎn)向示波器作為的電源測(cè)量平臺(tái)。本應(yīng)用指南將重點(diǎn)介紹怎樣使用示波器進(jìn)行基本電源測(cè)量。
一、準(zhǔn)備電源測(cè)量
對(duì)習(xí)慣使用示波器進(jìn)行高帶寬測(cè)量的工程師來(lái)說(shuō)，電源測(cè)量頻率相對(duì)較低，似乎非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上，電源測(cè)量也有很多高速電路設(shè)計(jì)人員從未見(jiàn)過(guò)的一系列挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電壓可能會(huì)非常大，而且是“浮動(dòng)的”，即沒(méi)有參考接地。信號(hào)的脈寬、周期、頻率和占空比會(huì)變化，必須如實(shí)地捕獲波形，分析其不理想特點(diǎn)。
示波器必須具有基本帶寬和采樣率，處理smps內(nèi)部的開(kāi)關(guān)頻率。電源測(cè)量要求示波器至少有兩條通道，一條用于電壓測(cè)量，一條用于電流測(cè)量。提高電源測(cè)量簡(jiǎn)便程度和可靠性的工具也同樣非常重要。下面是部分考慮因素：
是否提供安全的電壓和電流探測(cè)解決方案？
是否有一種快速方式，調(diào)節(jié)探頭的不同延遲？
是否有使探頭偏置達(dá)到zui小的有效流程？
儀器能否配備充足的記錄長(zhǎng)度，以高分辨率捕獲很長(zhǎng)的工頻波形？
這些特點(diǎn)為有效執(zhí)行電源設(shè)計(jì)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
二、安全準(zhǔn)確地探測(cè)電壓波形和電流波形
在使用數(shù)字示波器進(jìn)行電源測(cè)量時(shí)，必須測(cè)量設(shè)備中的電壓及電流。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只電壓探頭（通常是高壓差分探頭），一只電流探頭。圖1顯示了開(kāi)關(guān)式電源（smps）中的典型測(cè)量方案。在范圍在幾khz到幾mhz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（mosfet）控制著電流。
測(cè)量經(jīng)過(guò)mosfet的電流相對(duì)簡(jiǎn)單，可以使用許多不同的泰克霍爾效應(yīng)電流探頭完成，如tcp0030。而測(cè)量電壓則會(huì)面臨更多的問(wèn)題。mosfet沒(méi)有連接到交流電源接地或電路輸出接地上。因此，不可能使用示波器進(jìn)行接地參考電壓測(cè)量，因?yàn)榘烟筋^的地線連接到任何mosfet端子上都會(huì)使通過(guò)示波器接地的電路短路。
進(jìn)行差分測(cè)量是測(cè)量mosfet電壓的*方式。在差分測(cè)量中，可以測(cè)量漏極到源極電壓（vds），即mosfet漏極和源子中的電壓。vds可以位于幾十伏到幾百伏電壓的頂部，具體視電源的范圍而定。
可以通過(guò)多種方法測(cè)量vds：
浮動(dòng)示波器的機(jī)箱接地。不要采用這種方式，因?yàn)檫@種非常不安全，會(huì)給用戶、被測(cè)設(shè)備和示波器帶來(lái)危險(xiǎn)。
使用傳統(tǒng)無(wú)源單端探頭，把地線相互連接起來(lái)，使用示波器的通道匹配功能。這種測(cè)量方式稱為準(zhǔn)差分測(cè)量。但是，無(wú)源探頭與示波器的放大器結(jié)合使用時(shí)，不能提供充分阻塞任何共模電壓的共模抑制比（cmrr）。盡管用戶可能很想使用這種方法，因?yàn)榭梢允褂靡延械奶筋^，但它并不能準(zhǔn)確地測(cè)量電壓。
使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機(jī)箱接地。探頭的地線不再位于接地電位，可以把探頭直接連接到測(cè)試點(diǎn)上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但它成本高，通常是差分探頭的2～5倍。
使用真正差分探頭。高壓差分探頭（如泰克p5205）可以準(zhǔn)確安全地測(cè)量vds。
三、消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯
每只電壓探頭和電流探頭都有自己的特性傳播延遲。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱為時(shí)滯，會(huì)導(dǎo)致幅度和定時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確。
必須了解探頭的傳播延遲對(duì)zui大峰值功率和面積測(cè)量的影響，因?yàn)楣β适请妷汉碗娏鞯某朔e。如果兩個(gè)相乘的變量沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，那么會(huì)得到不正確的結(jié)果。在探頭沒(méi)有正確“校正時(shí)滯”時(shí)，測(cè)量精度會(huì)下降，如開(kāi)關(guān)損耗。
四、消除探頭偏置
差分探頭一般會(huì)有較小的電壓偏置。這會(huì)影響精度，在繼續(xù)測(cè)量前必須消除這個(gè)電壓偏置。大多數(shù)差分電壓探頭擁有內(nèi)置的dc偏置調(diào)節(jié)控制功能，可以相對(duì)簡(jiǎn)單地消除偏置。
在預(yù)熱后：
把示波器設(shè)置成測(cè)量電壓波形的平均值。
選擇實(shí)際測(cè)量中將使用的靈敏度（垂直）設(shè)置。
在不存在信號(hào)的情況下，把平均電平調(diào)節(jié)到0v（或盡可能接近0v）。
類似的，必須在執(zhí)行測(cè)量前調(diào)節(jié)電流探頭。
在消磁后：
把示波器設(shè)置成實(shí)際測(cè)量中將使用的垂直靈敏度。
在不存在信號(hào)的情況下，關(guān)閉電流探頭。
把dc平衡調(diào)節(jié)到零。
把平均值調(diào)節(jié)到0a或盡可能接近0a。
注意，某些探頭（如支持tekvpi的tcp0030）內(nèi)置了自動(dòng)消磁/自動(dòng)清零程序，用戶只需在探頭comp盒上按一個(gè)按鈕就可以了。
五、記錄長(zhǎng)度在電源測(cè)量中的作用
示波器捕獲測(cè)量期間事件的能力取決于使用的采樣率及存儲(chǔ)采集的信號(hào)樣點(diǎn)的存儲(chǔ)器的深度（記錄長(zhǎng)度）。存儲(chǔ)器的填充速度與采樣率直接成正比。在采樣率設(shè)置得足夠高時(shí)，存儲(chǔ)器會(huì)迅速填充。對(duì)許多電源測(cè)量，必須捕獲1/4周期或1/2周期（90°或180°）的工頻信號(hào)；有些測(cè)量甚至要求捕獲整個(gè)周期。泰克4000系列示波器標(biāo)配10m樣點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度，可以輕松地滿足這一需求。
然而，比長(zhǎng)記錄長(zhǎng)度更重要的是提供能夠利用所有這些數(shù)據(jù)的工具。4000系列的waveinspector是一套為輕松處理長(zhǎng)記錄設(shè)計(jì)的工具。直觀的前面板zoom和pan控制功能可以迅速查看采集的波形的任何部分?？梢允褂们懊姘錽et/clearmarks按鈕，把書(shū)簽放在波形上感興趣的點(diǎn)，然后使用前面板previous（<-）和next（->）按鈕瀏覽波形。zui后，強(qiáng)大的搜索功能可以找到和標(biāo)記整個(gè)長(zhǎng)采集中發(fā)生的每個(gè)用戶標(biāo)準(zhǔn)。例如，我們使用4000系列全部10m點(diǎn)記錄長(zhǎng)度，以4ns分辨率捕獲ac電源兩個(gè)周期期間的每個(gè)門(mén)驅(qū)動(dòng)脈沖。這一采集包含大約4000個(gè)脈沖。在輸入幾個(gè)簡(jiǎn)單的搜索參數(shù)后，如通道1上的正脈沖，寬度小于2μs，門(mén)限為3.7v，waveinspector會(huì)迅速識(shí)別滿足標(biāo)準(zhǔn)的17個(gè)脈沖，并在格線頂部用白色三角形標(biāo)出了這些波形。然后通過(guò)再次使用前面板previous和next按鈕，我們可以迅速?gòu)囊粋€(gè)事件跳到另一個(gè)事件。有了waveinspector以前需要幾小時(shí)完成的工作，現(xiàn)在只需幾秒鐘就可以完成。
六、開(kāi)關(guān)式電源基礎(chǔ)知識(shí)
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中流行的dc電源結(jié)構(gòu)是開(kāi)關(guān)式電源，這些電源因能夠處理變化的負(fù)載而聞名。典型smps的電源“信號(hào)路徑”包括無(wú)源元件、有源元件和磁性元件。smpszui大限度地減少了損耗元件的使用，如電阻器和線性模式晶體管，而重點(diǎn)使用沒(méi)有損耗（理想情況下）的元件：開(kāi)關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。
smps設(shè)備還包括一個(gè)控制段，其中包含脈寬調(diào)制穩(wěn)定器、脈沖速率調(diào)制穩(wěn)定器和反饋環(huán)路等單元。控制段可以有自己的電源。圖1是簡(jiǎn)化的smps示意圖，其中顯示了包括有源單元、無(wú)源單元和磁性單元的電源轉(zhuǎn)換段。
smps技術(shù)依托電源半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)設(shè)備，如金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（mosfet）和絕緣柵雙極晶體管（igbt）。這些設(shè)備提供了快速開(kāi)關(guān)時(shí)間，能夠耐受沒(méi)有規(guī)律的電壓峰值。同樣重要的是，其在on狀態(tài)或off狀態(tài)下消耗的功率非常小，實(shí)現(xiàn)了很高的效率，而生成的熱量很低。開(kāi)關(guān)設(shè)備在極大程度上決定著smps的整體性能。開(kāi)關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵測(cè)量項(xiàng)目包括開(kāi)關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。
七、基本參數(shù)測(cè)量
盡管開(kāi)關(guān)設(shè)備的功耗非常重要，但電源設(shè)計(jì)人員還需關(guān)注電源操作的許多其他方面，如基本幅度和定時(shí)測(cè)量，這在歷*一直通過(guò)計(jì)算格數(shù)、然后乘以標(biāo)度系數(shù)完成?，F(xiàn)代示波器提供了許多自動(dòng)測(cè)量功能，可以使用這些功能測(cè)量上述基本電源操作參數(shù)。4000系列包括下述自動(dòng)測(cè)量。
幅度測(cè)量：幅度、高、低、zui大值、zui小值、rms、峰到峰值、正/負(fù)過(guò)沖、平均值、周期平均值、周期rms。
定時(shí)測(cè)量：周期、頻率、上升/下降時(shí)間、正/負(fù)占空比、正/負(fù)脈寬、突發(fā)寬度、延遲、相位。
綜合測(cè)量：面積和周期面積。
幅度測(cè)量適用于測(cè)量輸入和輸出電壓，如vrms、平均值、峰到峰值和周期rms。定時(shí)測(cè)量可以幫助檢定驅(qū)動(dòng)信號(hào)行為，如脈寬和頻率。綜合測(cè)量計(jì)算電源波形下的面積，確定能量損耗。通過(guò)打開(kāi)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，可以確定長(zhǎng)期變化，查看測(cè)量期間的zui小值、zui大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。測(cè)量瞬時(shí)功率
檢定開(kāi)關(guān)晶體管中的瞬時(shí)功耗是幾乎每個(gè)電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一部分。選擇能夠在zui壞操作情況下經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行的元件至關(guān)重要（如圖1中的電源mosfet）。泰克tekvpi電流和電壓探測(cè)解決方案為這些測(cè)量提供了理想選擇。除提供安全測(cè)量解決方案外，它們還提供了非常簡(jiǎn)便的時(shí)滯校正功能。通過(guò)tekvpi探頭，可以在工廠中測(cè)量傳播延遲，然后把傳播延遲存儲(chǔ)在探頭的內(nèi)存中。在tekvpi探頭連接到4000系列時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的時(shí)滯校正值，在電源測(cè)量中實(shí)現(xiàn)zui大精度。也可以使用每條通道垂直菜單中的時(shí)滯校正功能，手動(dòng)校正非tekvpi探頭的時(shí)滯。tekvpi接口進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電源測(cè)量，它自動(dòng)為電壓波形和電流波形及以瓦特為單位的演算波形提供正確的標(biāo)度和單位。4000系列只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，就可以測(cè)量瞬時(shí)功率：
連接探頭；
按autoset，示波器自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直設(shè)置、水平設(shè)置和觸發(fā)設(shè)置，以查看波形；
把演算波形定義為ch1*ch2；
打開(kāi)area測(cè)量