怎样用泰克MSO示波器及功率分析软件进行重要的电源测量（上）

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。

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。

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1.48ns。您只需按OK，Deskew按钮就会调节信号之间的相对定时。

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。

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。         

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。

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。

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。

解决宽禁带测试挑战

直到目前，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。这个问题在宽禁带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探头优异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设计提供了有效的解决方案。

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。

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MIL-STD-1399之类的标准，来限制谐波。

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

图12. Rds（on）测量 Ch1（黄色）波形是FET V DS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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

审核编辑：刘清