动态测试在电源设计中的应用.doc

动态测试在电源设计中的应用 李磊 20082302三十多年来，不论国际还是国内，振动，冲击，噪声工程都获得了突飞猛进的发展，动态测试技术日新月异，并在科研、数学特别是工业上获得广泛应用。1967年世界上第一台基于FFT的动态信号分析仪问世，为动态信号分析技术的应用开辟了新纪元。短短的30年中，动态测试技术得到飞速的发展，动态测试技术的面貌发生了根本的改变，广泛深入到科研、教学和工业生产第一线，成为航空、汽车、机械、土木以至家电等工程领域的产品设计、开发、使用、维护的重要手段。其中，电源设计中就以广泛应用动态测试技术，成为电源工程师发现问题解决问题的好帮手。电源装置随着个人电脑、通信器材以及军用设备的发展，外形越来越小，输出的电流越来越来大，安全性要求越来越高，每瓦成本却越来越低，这就使得交换式电源成为首选。交换式电源（Switch Power）拥有传输大电流的强大功能。但是，它的设计要比传统的线性电源复杂，因此，在电源投入应用之前，甚至再设计之时，电源工程师一定要对电源特性用一个通盘儿细致的了解。比如电源的效率、安全性、可靠性等，自然要涉及到所有元件的电器特性，尤其是有源元件的性能。在选用大功率的场效应管MOSFET时需考虑场效应管的耐压值、功率消耗、效率等。一般，工程师通过测试场效应管的管脚电压电流峰值来找设计方案。由此，测试方法选择如何将直接影响到问题的解决。在过去，用数字万用表来测试场效应管的静态电流和电压。这种测试方法由于无法进行动态测试，工程师便无法了解元件的一些隐蔽的问题。为了解决这个问题，示波器成了对电源性能进行动态测试的工具。后来为了满足高频电源设计，一种能捕获小信号的全功能宽频示波器应运而生。动态测试技术得到进一步发展。本文以测试电流电路中的MOSFET功率元件功能例，来说明动态测试技术在电源设计中的重要作用。1、 测试电路电源电路中常用的转换开关输入电路如下图图1 测试电路 测试转换器MOSFET漏极至源极电压Vds多数功率转换产品大都采用MOSFET功率管配置，这种MOSFET功率管是浮动的，不以输入交流接地或输出接地端子为基准，所以，不能使用以地为基准的简单测试方法和常规的示波器设置因为，将示波器探棒的接地引线与任何一个MOSFET功率管端子相连接，都会使该端子短路。2、 测试工具对MOSFET进行功率测试时，采用数位储存示波器Tektronix TDS 510A, 510A，该示波器具有实验室级水准，主要有两大优点：a不仅能显示电压和电流的波形，而且能够直接以瓦特读数计算功率并显示波形；b全整合式界面可以连接高精度差动电压和电流探棒。除此以外，该示波器取样速率为500MSs可以捕获快速变化的开关暂态现象。3、 测试方法在MOSFET上测试的功率波形由电压波形和电流波形组成瞬时电压和电流变量的乘积就是瞬时功率，在一定时间内形成功率波形。功率波形的形状、振幅、相位和时限可以综合显示MOSFET功率管的实际应力。针对不同的变量，在采集它们的波形的时候，采用不同的测试方法。3.1 电压测试方法测试电压时，使用差动测试法，将两点间电位差作为所测得的电压值，不需要接地电位。差动测试法是测试MOSFET电压波形的最佳方法，测试出漏极和源极之间的电压，就是Vds值，漏极和源极都不需要处在地电位。这样，电压波形可以载于几十伏至几百伏的电压中，实际电压值取决于电源使用范围。当然，不同的差动测试方法有不同的特点，但在综合考虑的情况下，它们又有优劣之分，下面简述几种差动测试方法。示波器机壳接地法这种方法是不安全的测试方法，可能会对操作人员、仪器和在测单元造成危害，而且，这种测试结果很不精确。所以，这种方法不常用。准差动测试法这种方法是通过两个常规示波器探棒(其接地引线只彼此相连)和某示波器的内建波道相加能力行测试，这种测试方法有个缺点，差动式探棒及示波器的放大器缺乏足以克服共模电压的共模抑制比(CMRR)，所以，这种方法不能提供精确的测试值。探棒隔离器测试法使用探棒隔离器隔离示波器的机壳接地，这样探棒的“接地”引线不再处于地零位且可以直接与测试点相连。虽然这种测试法很有效，但探棒隔离器成本很高，比差动探棒贵好几倍。真差动电压探棒宽频测试法在宽频示波器上使用一个真差动电压探棒(TektronixP5205)，该探棒具有较高的共模抑制比(CMMR)，较低的电路负载(输入电容只有7pF)，以及100兆赫的频宽。对于关键性测试这种方法最适用，对预测电源设备元件的可靠性和功能很有效。因此，在测试电压变量时，采用真差动电压探棒宽频测试法。3.2 电流测试方法除了对电压进行测试外，还要对电流波形进行采样。对电流波形进行采样需要专门的工具和专门的技术。而常用的数位万用表只能显示静态电流值没有显示交流电流波形的能力，而示波器能够显示交流电流的波形，是电流波形测试的最佳工具 如Tektronix TCP202型电流探棒最适合用於交流电流测试，它是种“非入侵式探棒”。不需要关断电路就可以连接探棒。该探棒的夹片式拾波器通过感应而获取信号。像P5205探棒一样，TCP202利用示波器的Teleprocess界面而自动测定范围。4、 测试前准备工作为了获得好的测试结果，测试前设置好示波器和探棒系统。测试瞬时功率前，先执行“归零”调整程序。P5205、TCP202及其同类型探棒都有内建直流补偿电容器。具有校对功能。测试时，先关闭待测装置，让示波器和探棒充分暖机，将示波器的功能设置成测量电压和电流波形的平均值，在待测电路的正常工作电压下，没有交流信号的条件下，调整探棒的补偿电容，使每个波形的平均电位为零，或者近似为零。这一“归零”过程可保证测量系统的静态电压和电流中不含有测试点的零位。测试时一定要使用有延迟特性的电压和电流探棒，否则，测定的功率值(实际瞬时电压和电流读数的乘积)可能会遭受延迟的破坏，如对应于电压波形的电流波形可能发生移位，这样就移动了功率波形的峰值，从而不能对MOSFET功率管进行准确的评估。P5205型差动电压探棒和TCP202型电流探棒都有+一2ns以内的延迟特性，足以适应绝大多数的测试设备。而且，在特殊情况下，有些示波器自身可以在探棒之间提供进一步的延迟均衡调整功能。尽管差动电压探棒拥有80dB的共模抑制比(CCMR)，但测试前，需要在实际测试环境中验证探棒的功能。只需将两条引线接人同一个测试点，如MOSFET的漏极，两个探棒端都测试同一个信号，即共模信号。在理想情况下，差动探棒能够抑制整个信号并在示波器屏幕上显示出一条直线，但在实际测试中，该信号有一小部分可以通过差动探棒，从而生成揭示共模误差的曲线，这条曲线显示了影响测试结果的共模误差。当使用品质较差的差动探棒，可以用示波器数学运算法减去共模误差值。用上述验证方法，在电流波形上触发时，示波器采集到共模误差波形，并存人示波器参考记忆体内。通过内建运算功能，示波器从每个测定值中减去该共模误差量，这样也达到了矫正作用。5、 测试实际操作测试电路如图1所示，是个40kHz的交换电路，要对其开关转换的性质进行检验。测试差动电压读数时，探棒端部与MOSFET漏极和源极端子相连，生成V 波形。如图2曲线所示：图2 TDS 510A型屏幕显示电压、电流、功率波形测试电流时，导体上的电流信号先穿过电感性拾波芯，然后用夹式探棒对此电流信号进行采集。如果通过电流的导体(如本例中来自MOSFET漏极的引线)周围无法夹上探棒，就需要设置一个与信号串联的线圈作为测试点，如图3所示。在有些情况下，这种方法增加了电流探棒的灵敏度。设置的线圈不应该只有一匝，而应该多加几匝，因为探棒的灵敏度随著线圈的匝数倍增。测得的MOSFET功率管生成的电流波形如图2中中间曲线所示。在测定该电流读数时，不需要增加探棒的灵敏度也能生成准确的测试值。从图2中可以发现电压和电流的曲线是互补的关系：在电压曲线上，电压在无电流通过时呈最高值，而在电流为峰值时电压呈最低值。在MOSFET的U由还有60V电压时，出现了一个瞬间信号。该信号打乱了本来很顺利的开关转换。TDS 510A示波器自动算出的功率值如图中2下方曲线所示。这个曲线揭示了电压和电流曲线的内涵：在电流突变时，产生单一强峰值。这个峰值可以评估电路性能，如果MOSFET的平均功率容量被设定为20W，用常规数位万用表测试电压和电流值，读数将显示该MOSFET功率管工作在安全限度内。但是，在每一个转换周期内，该功率管能否承受30W 的峰值呢？同样重要的是，30W 的峰值是否会将电路的平均功率损耗量提高到了一个不可接受的高度?为什么电流转换后缘比前缘清晰得多？运用示波器测试电路，这些问题容易解决，示波器给工程师指出了解决问题的方向，并让工程师决定是否更换MOSFET还是改变开关特性。在功率测试的过程中，会认识到测试前准备工作的重要性。例如，经过比例系数和乘法复合换算后，探测器件中的小直流偏差值会形成很大的数位误差。同样，电压和电流探棒之间的延迟差也会改变两个波形的相对位置，从而造成功率波形的错位，甚至让功率波形完