【導(dǎo)讀】功率轉(zhuǎn)換器的每個(gè)部分幾乎都存在損耗源，關(guān)鍵區(qū)域的性能即使只改進(jìn)了幾個(gè)百分點(diǎn)，可能也會意義重大。為了準(zhǔn)確評估和測量這么小的性能提高，異常準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。選擇最好的探頭與應(yīng)用關(guān)系密切，因此必須了解應(yīng)用的測量要求，確保探頭與工作完全適應(yīng)。
今天的電源設(shè)計(jì)人員和測試工程師都在努力尋找非常小的漸進(jìn)改良方案，來提高功率轉(zhuǎn)換效率，或降低設(shè)計(jì)中的損耗。這要求能夠準(zhǔn)確評估和測量非常小的性能提高。
幾乎在功率轉(zhuǎn)換器的每個(gè)部分都存在損耗源，關(guān)鍵區(qū)域通常包括開關(guān)半導(dǎo)體、磁性元件和整流器。即使性能只改進(jìn)了幾個(gè)百分點(diǎn)，甚至是不到百分之一，可能也會具有重大的意義。而為了準(zhǔn)確評估和測量這么小的性能提高，異常準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。
大多數(shù)示波器都帶有10X衰減無源探頭，因?yàn)檫@種探頭適合在各種各樣的應(yīng)用中進(jìn)行測量。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz，一般能夠測量高達(dá)幾百伏的電壓。當(dāng)然使用通用探頭進(jìn)行功率測量也是可以的，但與這些專為功率應(yīng)用設(shè)計(jì)的探頭相比，其不可能提供所需的精度，來推動(dòng)改善功率轉(zhuǎn)換性能。
信號靈敏度
我們看一下通用探頭存在短板的實(shí)例。在電源設(shè)計(jì)和測量中，一個(gè)常見的挑戰(zhàn)是把噪聲與紋波電壓隔開。在本例中，我們要使用通用10X探頭探測3.3 V電源。問題在于， 10X探頭沒有提供足夠的靈敏度，觸發(fā)波形中存在的周期噪聲。這些探頭非常適合許多通用電子測量，因?yàn)樗鼈兲岣吡耸静ㄆ鞯碾妷悍秶峁┝讼鄬^高的帶寬。
然而，為了測量幾十毫伏的小信號， 1:1 (1X)探頭會是更好的選擇，因?yàn)樗鼘?dǎo)致的信號衰減不大，不會把信號向下推進(jìn)到示波器的噪底。遺憾的是，這種靈敏度優(yōu)勢被它的帶寬劣勢抵消了，其帶寬通常只有15 MHz左右。如果這種帶寬對測量不夠，那么最好使用無源2X探頭。
事實(shí)證明，在這種應(yīng)用中，2X探頭是正確的選擇。看一下圖1中的波形。黃色軌跡是10X探頭，它調(diào)整到每格10 mV的最低垂直設(shè)置；藍(lán)色波形是2X探頭。可以把2X探頭調(diào)節(jié)到每格2 mV的最低垂直設(shè)置。由于電源輸出會產(chǎn)生3 mV紋波的信號，因此很明顯，10X衰減的探頭不太適合這種測量。
圖1：使用2X探頭(藍(lán)色軌跡)和10X探頭(黃色軌跡)測量3.3 V電源。
差分測量
上面討論的紋波測量，只是電源設(shè)計(jì)和調(diào)試中能夠安全高效地使用單端（參考地電平）探頭的諸多應(yīng)用中的一種。但許多功能轉(zhuǎn)換測量要在浮動(dòng)環(huán)境中完成，這些應(yīng)用中是不能參考地電平的。
圖2指明了沒有綁到接地，要求差分測量技術(shù)的多種常見的功率轉(zhuǎn)換測量：
- MOSFET上的漏極到源極電壓(VDS)
- 續(xù)流二極管上的二極管電壓
- 電感和變壓器電壓
- 未接地的電阻器中的電壓降
圖2：推/拉功率轉(zhuǎn)換器上的部分差分測量點(diǎn)。
可以通過多種方式執(zhí)行差分測量，包括：
- 使用兩只單端探頭，計(jì)算電壓差
- 使用帶有專門設(shè)計(jì)的浮動(dòng)輸入的示波器
- 選擇與測量最匹配的差分探頭
使用兩只單端探頭
一種常用技術(shù)是使用兩只單端探頭，每只探頭的地線接地，并在被測元件的兩側(cè)尖端，如圖3所示。然后把示波器設(shè)置成顯示通道1和通道2之差。這有時(shí)稱為 “A-B”，它使用示波器中的數(shù)學(xué)運(yùn)算來顯示兩條通道的電壓差。在需要進(jìn)行差分測量，但沒有合適的測試設(shè)備時(shí)，工程師有時(shí)會使用這種技術(shù)。
圖3：使用兩只單端探頭進(jìn)行準(zhǔn)差分測量。
這種方法有幾個(gè)問題。只有在探頭和示波器通道非常匹配時(shí)（包括增益、偏置、延遲和頻響），這種方法才會得到很好的測量結(jié)果。該方法不能提供非常好的共模抑制（清除兩個(gè)輸入共有信號的任何AC部分或DC部分）。此外，如果兩個(gè)信號沒有正確定標(biāo)，可能會出現(xiàn)示波器輸入過載的情況，得到錯(cuò)誤測量結(jié)果。
使用浮動(dòng)輸入
我們也可以使用“浮動(dòng)”示波器。這些示波器的每條輸入通道在電氣上與機(jī)箱接地隔離，然后示波器使用電池供電。示波器機(jī)箱到接地的寄生電容也非常低。浮動(dòng)示波器的這些隔離特點(diǎn)，可以使用一只絕緣的無源探頭來進(jìn)行差分測量。這些儀器非常方便，使用簡便，效果好。但是，差分電壓探頭的電容較低，要求高度平衡。
匹配的差分探頭
為獲得最好的測量精度，使用技術(shù)指標(biāo)與測量任務(wù)相匹配的差分探頭通常是最佳的選擇。差分探頭是有源器件。它們在探頭尖端有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的差分放大器，只測量經(jīng)過兩個(gè)測試點(diǎn)的電壓，而不管任一測試點(diǎn)和接地之間的電位是多少，這就大大簡化了探測任務(wù)，消除了某些可能的誤差來源。另外，由于它們只測量差分電壓，因此它們還可以忽略并清除可能存在的共模AC擺幅或DC偏置電壓。
由于被測器件(DUT)不同部分的測量可能有著完全不同的要求，因此必須審慎地選擇探頭。在圖4所示的實(shí)例中，手邊的任務(wù)是測量被測電源MOSFET開關(guān)器件的開機(jī)損耗、關(guān)機(jī)損耗以及傳導(dǎo)損耗。圖4是帶有測量點(diǎn)TP1和TP2的MOSFET的簡化示意圖。
圖4：帶有多個(gè)測試點(diǎn)的MOSFET的簡化示意圖。
被測器件是一種“通用”電源，設(shè)計(jì)為從世界各國的AC線路（或“市電”）電壓供電。僅此一項(xiàng)，就給工程師的測試要求及測試設(shè)備提出了多項(xiàng)要求：
- 這種器件的額定輸入電壓一般在80 VAC ~ 250 VAC或更寬。為表征全球各種輸入電壓下的性能，不僅要執(zhí)行一項(xiàng)測量，還要在多種輸入電壓下執(zhí)行一系列測量。這適用于被測試的每個(gè)性能參數(shù)。開關(guān)特點(diǎn)(及相應(yīng)損耗)預(yù)計(jì)在每個(gè)輸入電壓上都不同，可能不會以線性方式變化。這不僅提高了要執(zhí)行的測量總數(shù)，還需要在測量之間實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性。
- 由于輸入供電電壓高達(dá)250 VAC，開關(guān)MOSFET中漏極和源極之間的電壓預(yù)計(jì)會達(dá)到354 V或更高。探測解決方案必需擁有足夠的通用性，來測量這些電壓以及在某些測試中還要能夠測量低得多的電壓。
被測電源的開關(guān)速率為250 kHz。根據(jù)測量帶寬常用的5倍法則，這相當(dāng)于要求1.25 MHz的測量帶寬。但這是現(xiàn)實(shí)世界信號速度的簡化版，因?yàn)殚_關(guān)器件的實(shí)際上升時(shí)間預(yù)計(jì)會超過它一個(gè)量級。同樣，可能還要考察尖峰、瞬態(tài)信號和其他噪聲。如果要測量上升時(shí)間為幾十納秒的信號，那么探頭的上升時(shí)間應(yīng)在幾納秒。為在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例中準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，測量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)在350 MHz或更高。
小結(jié)
選擇最好的探頭與應(yīng)用關(guān)系密切，因此必須了解應(yīng)用的測量要求，確保探頭與工作完全適應(yīng)。對許多功率電子測量來說，差分探頭是一個(gè)明確的選擇，特別是沒有參考地電平的測量。對參考地電平的測量，單端探頭是一個(gè)很好的選擇，但注意不要使用10X探頭，以免過度衰減小信號。對低壓信號，如紋波，最好使用1X探頭或2X探頭。
作者Wilson Lee現(xiàn)任泰克科技公司高級市場經(jīng)理。在加入泰克科技公司之前，Wilson擁有超過25年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，先后擔(dān)任技術(shù)市場、技術(shù)銷售主管等職位，如CTS電子元器件公司等制造商，以及Richardson RFPD和Premier Farnell等技術(shù)/增值分銷商。Wilson一直專注于RF/無線、工控電源、工控自動(dòng)化等細(xì)分市場內(nèi)部的設(shè)計(jì)工作。Wilson從康奈爾大學(xué)獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位。While在從業(yè)期間先后居住在紐約、芝加哥和亞洲，目前常住美國俄勒岡州大波特蘭。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
推薦閱讀：
