创新电源系统分析与测试方案

创新电源系统分析与测试方案泰克中国分销业务部陈迎雨开关电源(SMPS)技术的发展趋势ƒ效率越来越高ƒ功率密度越来越高ƒ瞬时负荷ƒ低电压，高电流ƒ宽带供电技术ƒ符合EN61000-3-4A14标准开关电源设计中的挑战ƒ提升开关电源效率–降低开关损耗–最大限度地降低磁性器件的功率损耗–需要更快的控制环路响应ƒ提高开关电源系统可靠性–海量数据分析–符合宽带技术标准ƒ需要简便易用、可靠的工具，定位问题开关电源设计中的测试需求ƒ国家和地区电源质量标准–电源的功率电平–输出纯度–电源线的谐波反馈–开关损耗–调制分析等等ƒ从历史上看–利用万用表进行静态电流和电压测量–通过PC或计算器进行麻烦的计算ƒ今天–示波器成为首选电源测量平台如何有效执行电源设计测量ƒ对习惯使用示波器进行高带宽测量的工程师来说，电源测量频率相对较低，似乎非常简单。事实上，电源测量也有很多高速电路设计人员从未见过的一系列挑战。经过开关设备的电压可能会非常大，而且是“浮动的”，即没有参考接地。信号的脉宽、周期、频率和占空比会变化，必须如实地捕获波形，分析其不理想特点。ƒ因此必须考虑以下因素：–是否提供安全精确的电压和电流探测解决方案？–是否有一种快速方式，调节探头的不同延迟？–是否有使探头偏置达到最小的有效流程？–仪器能否配备充足的记录长度，以高分辨率捕获很长的工频波形？安全准确地探测电压和电流波形ƒ图中，在范围在几kHz到几MHz的时钟驱动下，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)控制着电流。ƒ然而MOSFET没有连接到交流电源接地或电路输出接地上。因此，不可能使用示波器进行接地参考电压测量，因为把探头的地线连接到任何MOSFET端子上都会使通过示波器接地的电路短路。ƒ如何有效的测量Vds，即MOSFET漏极和源极端子中的电压。（Vds可能位于几十伏到几百伏电压的顶部）？–浮动示波器的机箱接地。绝对不要采用这种方式，因为这种非常不安全，会给用户、被测设备和示波器带来危险。–使用传统无源单端探头，把地线相互连接起来，使用示波器的通道匹配功能。这种测量方式称为准差分测量。但是，无源探头与示波器的放大器结合使用时，不能提供充分阻塞任何共模电压的共模抑制比(CMRR)。尽管用户可能很想使用这种方法，因为可以使用已有的探头，但它并不能准确地测量电压。–使用真正差分探头。高压差分探头(如泰克P5205)可以准确安全地测量VDS。无源元件有源元件磁性元件门时钟漏极源极TP1TP2简化的开关电源视图安全准确地探测“浮动”电压即便示波器处于“浮动”状态，寄生电容也会形成交流分压器从而增加测量的误差。注意：回动的探头引线会给栅极增加100pF的电容，有可能破坏电路。将示波器的公共端接到逆变器上部的栅极可以使栅极驱动信号滞后，阻碍器件的关断并破坏输入桥。这种故障通常还会在工作台上出现小火花，很多功率电子器件的设计人员都可以作证。危险！分布电容和电感还可能带来原本没有的振铃！！！！示波器在没有接地的情况下，其电磁兼容特性降达不到设计要求，可能干扰待测电路或受到空间电磁波的干扰，影响测量结果！不可用剪断示波器接地线的方法进行差分测量！不可使用隔离变压器进行差分测量！消除电压探头和电流探头之间的时滞ƒ每只电压探头和电流探头都有自己的特性传播延迟。电流探头和电压探头之间的延迟差称为时滞，会导致幅度和定时测量不准确。ƒ必需了解探头的传播延迟对最大峰值功率和面积测量的影响，因为功率是电压和电流的乘积。如果两个相乘的变量没有完美对准，那么会得到不正确的结果。在探头没有正确“校正时滞”时，测量精度会下降，如开关损耗。时钟消除电压探头和电流探头之间的时滞电压信号和电流信号之间有9.4ns的时滞当存在时滞时，电源波形的峰值幅度是4.958W，光标之间的能量损耗是1.597μJ消除电压探头和电流探头之间的时滞电压和电流信号在校正时滞过程之后对准峰值幅度上升到5.239W(提高了5.6%)，光标之间的能量损耗上升到1.717μJ(提高了7.5%)DPO/MSO4000以及DPO3000继续提供泰克独有的强大静态时间偏移校正功能(+/-100ns)支持所有泰克探头消除探头偏置ƒ把示波器设置成测量电压波形的平均值。ƒ选择实际测量中将使用的灵敏度(垂直)设置。ƒ在不存在信号的情况下，把平均电平调节到0V(或尽可能接近0V)。ƒ类似的，必需在执行测量前调节电流探头。在消磁后：–把示波器设置成实际测量中将使用的垂直灵敏度。–在不存在信号的情况下，关闭电流探头。–把DC平衡调节到零。–把平均值调节到0A或尽可能接近0A。ƒ注意，某些探头(如支持TekVPI的TCP0030)内置了自动消磁/自动清零程序，用户只需在探头comp盒上按一个按钮就可以了。差分探头一般会有较小的电压偏置。这会影响精度，在继续测量前必须消除这个电压偏置。大多数差分电压探头拥有内置的DC偏置调节控制功能，可以相对简单地消除偏置。在预热后：记录长度在电源测量中的作用ƒ有源功率因数校正电路APFCSMPS–改变脉宽，以在输出上保持恒定的电压–经过开关器件的电流会变化ƒ示波器捕获测量期间事件的能力取决于使用的采样率及存储采集的信号样点的存储器的深度(记录长度)。存储器的填充速度与采样率直接成正比。在采样率设置得足够高，能够以高分辨率详细地信号时，存储器会迅速填充。对许多电源测量，必需捕获1/4周期或1/2周期(90度或180度)的工频信号；有些测量甚至要求捕获整个周期。泰克3000系列示波器标配5M样点的记录长度，轻松地满足了这一需求。电压电流PWM信号对50Hz工频供电来说，10ms的记录长度可以保证捕获所有开关变化确定DSO记录长度的参数ƒ取样速率应该至少是测得的模拟信号带宽的5倍ƒ一般在一个边沿上需要5-8个样点;100ns转换至少要求50MS/s的取样速率ƒ单次采集的记录时间与记录长度直接成正比记录时间(秒)=取样速率(样点/秒)记录长度(样点数量)计算记录长度ƒ为同时查看50Hz工频信号(一个周期)，和100ns(8个样点/边沿)边沿的PWM信号ƒ每条通道2MB记录长度、1.25GSa/s取样速率的示波器可以满足这一要求20ms记录长度(样点数量)=12.5ns=1.6MB利用Wave-Inspector进行电源系统查障ƒ比长记录长度更重要的是提供能够利用所有这些数据的工具ƒ4000系列的WaveInspector是业内第一套为轻松处理长记录设计的工具ƒWaveInspector对示波器就象是对互联网ƒ专用前面板控制功能：–缩放–平铺–播放/暂停–设置/清除标记–在标记之间导航–搜索和标记ƒ强制外圈反馈–旋转得越远，速度越快–反向旋转旋钮，改变方向或减慢速度–异常直观ƒ大大改善了几乎每个客户都会关注的操作便捷性!0.03m左右你了解Wave-Inspector吗?!ƒ针在哪里?3m左右，2.5×1010−利用Wave-Inspector进行电源系统查障ƒ现代数字示波器可以捕获海量数据，这既是好事，也是坏事。您想要所有数据，正因如此，您需要使用示波器。但直到现在，在庞大的数据中找到所需的数据不亚于大海捞针，是一个非常耗时麻烦的过程。配有WaveInspector的DPO4000系列为您提供了所需的功能，可以高效地满足您的需求，而这种效率是以前的示波器所不能想象的。利用Wave-Inspector查找门驱动脉冲ƒ使用3000系列全部5M点记录长度，以8ns分辨率捕获AC电源两个周期期间的每个门驱动脉冲。–上面的窗口显示了整个采集–下面的窗口显示了放大的采集部分–这一采集包含大约2,000个脉冲–在输入几个简单的搜索参数后–如通道1上的正脉冲，宽度小于1.2μs，门限为7V，ƒWaveInspector会迅速识别满足标准的79个脉冲，并在格线顶部用白色三角形标出了这些波形。然后通过再次使用前面板Previous和Next按钮，我们可以迅速从一个事件跳到另一个事件。以前需要几个小时完成的工作，现在只需几秒钟就可以完成。使用WaveInspector在包含数千个脉冲的长5M样点采集中找到发生的79个宽度小于1.2us的脉冲市电输入整流滤波电路的测量问题ƒ视在功率（ApparentPower）ƒ有功功率（TruePower）ƒ功率因数（PowerFactor）ƒ波峰因数（CrestFactor）ƒ总谐波失真（TotalHarmonicDistortion）ƒ电磁兼容问题，按照EN61000-3-2进行一致性测试输入电路部分功率测量----满载有效功率输入电路部分功率测量ƒ为了得到视在功率，我们将测量到的有效值相乘，得到视在功率=215.7V*158.8mA=34.3Wƒ为了得到有效功率，我们使用DPO3000的数学运算（Math)按钮，对电压和电流的波形“逐点”相乘，得到有效功率=18.6W。注意，这里使用的是相乘后的“平均值（Mean)”而不是“有效值(RMS)”来得到有效功率，这是根据前面所叙述的平均功率的定义来的。ƒ这样，我们很容易的得到该设备的功率PF=18.6W/34.3W=0.54,从而为设计功率校正电路PFC提供数据。ƒ对三相电路的功率测量---单路法（适用平衡负载）通过一台DPO3000示波器，测量出平衡负载的一相的RMS电压和RMS电流，乘上1.732即可的到三相的全部功率ƒ对三相电路的功率测量---双功率计法不同于“双功率计”法的名称，实际测量中只需要一台DPO3000示波器即可，电压测量的公共端接在三相中的任意一相，比如B相，然后测量B相同A相和C相的电压差以及A相和C相的电流。Wtotal=W1+W2ƒ需要注意的问题：电压探头的接地和电流探头的方向Buck测试----记录长度很重要!10K记录长度时Buck电流完全失真由于存在工频调制因此至少捕获1-2个工频调制周期(一个工频调制周期为10ms)是必须的Buck测试----记录长度很重要!5M记录长度可以完美呈现Buck电流的细节!开关管的损耗ƒ开关管的损耗是整个电源中最大部分的损耗ƒ开关管是整个电源中最”脆弱“的部分ƒ损耗会以发热的形式表现ƒ损耗主要有2部分：–开关损耗–发生在电压从导通到截至而电流从截至到导通的瞬间，电流和电压相乘得到–传导损耗–在导通时由于导通电阻得到VdsIdsPdsT1T2T3T4TimeTon损耗Toff损耗传导损耗开关损耗和总平均损耗的测量需求ƒ动态范围:同时测量几百伏到几百毫伏的电压ƒ消除电压探头和电流探头引起的时间偏移ƒ差分探头和电流探头固有的噪声ƒSMPS的工作模式ƒ识别真实开关转换开关管测量的技术难题ƒ同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压ƒ电压与电流探头时间延迟特性的不一致性ƒ差分探头和电流探头的寄生噪声ƒ需要长记录长度进行准确测量ƒ开关设备的噪声–很高幅度的振铃ƒ信号特性变化–随负载变化–非连续电流模式–连续电流模式–开关电源拓扑结构–需要不同的捕获数据的方式同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压ƒ任何示波器都很难同时测量几百伏和几百毫伏的电压，示波器的分辨率为8bit–示波器的垂直设置需要为–50V/div–理想的最小采样分辨率为：–500V/256~2V100mV–结果将造成开关管总损耗测量的不准确100’smV~500V同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压ƒ解决的办法–如果传导态的电压可以测量，测量导通电阻（RDSon）–如果开关电压峰峰值小于100V–通过开关管手册查到当前工作温度下导通电阻（RDSon）的理论数值100’smV~500V开关电源中的开关管ƒ开关管测量的问题：–关断态时电流信号的噪声电平VdsIds~500V~1or2mA(noise)4结果将导致测量周期功率损耗结果误差SMPS工作模式对总平均损耗的影响ƒ总平均损耗的测量精度取决于–脉宽变化–SMPS拓扑–SMPS的开机时间–SMPS的负荷变化状态为精确测量开关损耗和总平均损耗，必需捕获整个事件开关电源中的开关管ƒ开关电源设备中测量开关管的问题：–需要很长的示波器记录长度进行准确测量–负载变化将导致传导损耗变化–输入电压变化导致导通和截止损耗变化