专用示波器和软件提高开发测试效率方案

1、【Word版本下载可任意编辑】 专用示波器和软件提高开发测试效率方案 为了满足效率和外形尺寸要求，开关模式电源制造商不断采用新的半导体和电路拓扑，同时还须坚持遵守更高的电源完整性标准。因此，设计人员必须对开关模式波形开展更为复杂的测量，而这样一来，就会延长测试时间，增加成本。 为了缩短测试时间，测试设备制造商开发了各种硬件和软件，它们可以配合使用，实现众多功能和复杂分析的自动化。Teledyne LeCroy 的 HDO4104示波器与功率分析仪软件就是硬件和软件结合使用的一个很好例子。本文将介绍可如何配合使用它们来执行关键性分析，从而缩短电源的开发和测试时间。 效率、重量、尺寸是驱动创新设计

2、和测试方法发展的动因 开关模式电源转换，无论是在电源、逆变器、DC-DC 转换器还是电机控制器中，在特定功率电平下，都具备提高功率效率更高以及减小尺寸和重量的优势。但是，这些特性也会带来弊端，包括增加复杂度和提高元器件应力。 为了解决这个问题，制造商开始考虑使用新的半导体类型、更多样的电路拓扑以及更高的电源完整性标准。不过，这就需要对一些关键特性开展详细的分析，例如： 功率损耗 安全工作区域 (SOA) 控制回路裕量 线路电源完整性 电源性能 要执行这些类型的分析，就需要提高必要的开发和测试工程技术水平，而这又会增加测试时间以及提高终产品成本。HDO4104 和功率分析仪软件正是为了简化这些类

3、型的分析而设计的。 HDO4104 是一款带触摸屏的高分辨率 12 位示波器。功率分析仪软件利用示波器的触摸屏，创立专用的用户界面。借助自动测量功能，我们可以结合使用硬件和软件，从而简化关键电源开关器件测量、控制回路调制分析以及线路电源谐波测试。Teledyne LeCroy 公司还提供各种配件，包括差分放大器、差分探头、电流探头和抗扭斜装置。 使用 HDO4104 开展器件分析 开关模式电源通常使用电源器件的脉冲宽度调制 (PWM) 来控制输出电压。电源器件中的电压和电流会在导通和断开状态之间开展切换。波形的移相规律是当电压为高时，电流为低。因此，开关器件耗散的功率很小：只有在导通和断开状态

4、之间转换时，才会耗散功率（图 1）。 具有功率分析功能的 Teledyne LeCroy HDO4104 的图片 图 1： 在使用具有功率分析功能的 Teledyne LeCroy HDO4104 对开关模式电源开展分析的过程中，将会采集功率晶体管的电压，以及流经晶体管的电流。然后通过这些值来计算和显示功率耗散。（图片：Digi-Key Electronics） 上图显示了使用功率分析软件的基本器件测量。该图底部的对话框显示了设置及其组织方式，因此可以从左向右开展操作。首次启用电源分析操作时，用户选择信号源。在本例中，我们使用了 Teledyne LeCroy DA1855A差分放大器和 CP

5、030电流探头。 下一步是选择四类分析中的一种。随后，我们再选择与每种分析类型相关的特定测试。在图 1 中，我们选择的分析类型是“Device”（器件），显示的测试值是器件损耗。我们使用开关器件电压（顶部的黄色迹线）和流经开关器件的电流（底部的红色迹线），来计算其功率耗散（底部的黄色迹线）。界面使用了彩色覆盖层，可自动显示器件导电和关闭的时间段。 图形下方的表格列出了工作周期内每个阶段的器件功率耗散。这些阶段是导通、导电、关闭、关断状态。损耗可通过功率或能量损耗予以衡量。所示能量损耗以焦耳为单位。请注意，这一计算乃基于所采集的波形自动开展的。 对话框上还有一些其他选项卡，分别用于输入设置、区域

6、识别以及功率迹线缩放。输入设置非常重要，因为它可用于识别示波器使用的电压和电流探头。重要功能是对这些探头的抗扭斜控制，以便电流和电压测量保持时间同步。 用户提示： 抗扭斜对于测量功率损耗至关重要。如果关断状态的功率损耗接近零，则表示已正确设置抗扭斜。在例如中，抗扭斜设置是正确的，关断状态的功率损耗不到其他损耗读数的千分之一。 绘制 SOA 图以确认工作裕量 每个开关器件的电压、电流和功率都有限值，这些限值由器件制造商规定并会列于其技术规格书中。要确保电源的可靠性，就不能超过这些限值。安全工作区 (SOA) 图有助于确认工作裕量，包括电路工作的所有方面。SOA 图是器件电压及流经器件的电流的 X

7、-Y 轴图。图 2 所示为开关模式电源的功率 FET 的电流和电压波形图，以及 30 个电源周期的 SOA 图。 安全工作区图的图片 图 2： 右侧的安全工作区图记录了多个电源周期的电流和电压的轨迹。电压点位于该图的右端。电流位于顶部。两个点均与测试遮罩交叉，并以红色高亮显示标记。（图片：Digi-Key Electronics） SOA 图的垂直轴表示的是电流，水平轴为电压。这两个信号的逐样本乘积就是器件的瞬时功率耗散。在 SOA 图左下角的点，电流和电压均为零。右侧的点就是器件的电压。垂直的极限点就是流经器件的电流。 SOA 图会显示在测试遮罩内，可通过以下四个点描述： 电压 电流 电压时

8、的电流 电流时的电压 用户在图 2 所示的对话框中输入这些点，输入值为制造商规定的被测设备的限值。如果 SOA 图与测试遮罩交叉，则有一个红色圆圈突出显示该样本。这个圆圈表示超过了遮罩测试容限。图中显示了两个此类交叉的例如。 SOA 图主要涉及到电压、电流和功率值，而 FET 动态导通电阻 (Rds(ON) 的测量则需要对 FET 饱和电压和通道电流开展详细测量（图 3）。 FET 动态导通电阻的图片 图 3： FET 动态导通电阻 (Rds(ON) 是根据饱和电压与通道电流的比率计算得出的。（图片：Digi-Key Electronics） 此测量可能难以开展，因为在存在几百伏特的电压摆幅的

9、情况下，示波器只会发现几伏特的信号电平。 一个好的差分放大器，例如 Teledyne LeCroy 的 DA1855A，可以充当信号调节前置放大器，以便更加简单准确地开展测量。DA1855A 还具有快速过驱恢复功能。DA1855A 使用了 100 探头，因此可在 100 ns 之内稳定至 100 mV 范围内，以来自 400 伏特输入信号的输入作为参考输入。这样一来，MOSFET 的信号就能在屏幕之外过驱，而垂直标度则可用于缩放感兴趣的部分。请注意，在示波器输入上直接尝试这种技术，通常会导致仪器的前端放大器饱和。 借助 DA1855A 的快速过驱恢复功能，用户可以过驱信号，而无需担心迹线回到屏

10、幕上时出现错误。因此，用户能够获取饱和电压的细节。 要计算通道导通电阻，需要采集 FET 饱和电压及其相应的通道电流。在这里，只需应用欧姆定律，即可计算出电阻值。在电源周期的导电阶段，功率分析仪软件可隔离 FET 电压，并使用正确的电压和电流段自动执行测量。在图 3 所示的例如中，结果为 1.1 。 与器件相关的其他测试包括电压和电流波形的时间变化率（dV/dt 和 dI/dt）。它显示了器件开启和关闭时的电压和电流的时间变化率。 器件测试还可延展到 B-H 曲线分析形式的磁测量。B-H 曲线可显示变压器等磁性器件的饱和状态。它是磁通密度 (B) 与磁场强度 (H) 的曲线图。 器件分析工具箱

11、可提供与开关器件和重要磁性元器件相关的关键问题的完整视图。下一个测量挑战是开关模式控制回路。 控制回路分析 开关模式电源转换器使用反应来控制输出电压或电流，并将输出保持在可承受限值范围内。大多数开关模式电源会在其控制回路中使用 PWM。增加驱动脉冲的宽度可提高输出电压，减小该宽度则可降低输出电压。通过控制回路分析，我们可以近距离研究这种反应回路，特别是在瞬态条件期间。但是，要分析回路动态，我们必须能够解调 PWM 信号。 功率分析仪软件提供了简单易用的调制分析功能，可以测量每个脉冲的宽度或占空比，并可绘制脉冲宽度或占空比随时间变化的图示。该工具极为便利，可以直观地查看整个控制回路的时域响应，包

12、括控制 IC 中脉冲宽度调制器添加的任何时间常数。为了说明这种概念，图 4 显示了阶跃负载变化对开关 FET 的栅极驱动信号的脉冲宽度的影响。 控制回路对负载的阶跃变化的响应图片 图 4： 显示了栅极驱动信号的控制回路对负载的阶跃变化的响应。控制回路分析图显示了控制器响应，它通过改变栅极驱动信号的占空比来管理负载变化。（图片：Digi-Key Electronics） 负载电流，也就是上方网格中的迹线 C2（红色），具有 500 mA 的正阶跃。栅极驱动信号可在迹线 C1（黄色）上采集，并会显示控制器对负载变化的响应，表现为栅极驱动脉冲的宽度变化。控制分析迹线（蓝色）显示了控制回路对负载电流的

13、阶跃变化的动态响应。 中心网格中的迹线是栅极驱动信号的水平缩放。缩放的部分在栅极驱动迹线上突出显示，目的是显示它相对于负载变化的位置。用户可在缩放迹线上非常清晰地查看脉冲宽度变化。 迹线网格下方的测量参数表显示了各个参数的值、平均值、值、值和标准差，包括栅极驱动信号的频率周期、宽度和占空比。该表量化描述了负载变化前后的栅极驱动信号变化。在本例中，关键值是占空比的值、值和值。值是负载变化之前的初始占空比。在这一点，占空比为值，仅为 4.8%。在控制分析图的顶峰，占空比为 15.5%，也就是占空比参数的值。采集历史记录中的占空比定值就是占空比的值。它是波形中的占空比值读数，其值为 8.9%。 也可

14、使用控制回路分析类型，来跟踪电源启动或关断过程中的 PWM 稳压器响应。图 5 显示了电源的启动。迹线，从上到下依次是漏源极电压、漏电流、FET 的栅极驱动电压以及栅极驱动信号的占空比。底部的迹线显示了栅极驱动占空比在整个启动过程中的变化。 监控电源启动过程中的 PWM 占空比变化的图片 图 5： 监控电源启动过程中的 PWM 占空比变化。底部的迹线（深蓝）显示了栅极驱动占空比在整个启动过程中的变化。（图片：Digi-Key Electronics） 选择示波器时，设计人员必须明白，要对电源转换器启动开展分析，就需要具有长采集波形存储器的示波器。本例所示为 10 毫秒的启动采集，使用了 2.5

15、 兆样本的采集波形存储器。Teledyne LeCroy 的 HDO4000 系列示波器能够提供多达 50 兆样本的采集波形存储器。采集时间取决于存储器长度和采样周期。在要求的采样率下采集相同数据，可为所有四个通道提供 10 秒的采集窗口。 目前我们已经分析了电源转换器的输出侧。接下来的两个分析功能主要针对开关模式转换器的初级侧，也就是线路侧。 线路电源分析 线路电源分析包括两种测试功能，即功率测量和谐波分析。功率测量可确定线路电压和电流。它们还可测量和显示实际功率、视在功率和无功功率。另外，用户可以选择计算并显示功率因数、相位角和波峰因数。“谐波”测试选项旨在测量线路谐波，并验证其是否符合

16、EN 61000-3-2 等国际标准。这种合规性测试极其重要，可以确保不会将过大的谐波功率从开关模式器件回注到电源。 线路谐波分析如图 6 所示。除了通道 C1 和 C2 中的线路电压和电流之外，60 Hz 线路电流的前 20 个奇次谐波显示在频谱显示中。蓝色覆盖区显示了 EN 61000-3-2 标准的合规性级别。迹线下方的表格列出了所有这些谐波，包括电平、频率以及合规情况。 线路谐波分析评估线路电流的谐波含量的图片 图 6： 线路谐波分析使用频谱分析方法来评估线路电流的谐波含量。根据 EN 61000-3-2 标准，对照内置的测试遮罩，对谐波幅值开展测试。（图片：Digi-Key Elec

17、tronics） 在介绍完开关器件、控制回路、功率损耗和输入功率之后，我们要讨论的功率分析的一个因素是整体性能。 性能分析 性能分析包括两项重要测试。项是器件效率。此项测试可测量被测开关模式转换器的总输入和输出功率，然后使用这些信息来计算器件效率。 第二项性能测试是输出纹波。这是非常重要的电源完整性测量，因为如果电源总线上的纹波过多，可能会导致时钟和数据信号的额外抖动（图 7）。 时域和频域中的纹波分析输出纹波图片 图 7： 输出纹波是非常重要的电源完整性测量。纹波分析可显示时域和频域中的输出纹波。左侧迹线即为纹波的时序图。右侧的网格包含纹波的频谱。左侧表格列出了纹波的频率的十个元器件。 （图片： Digi-Key Electronics） 图 7 显示了输出电流（左上角迹线）和交流耦合电压（左侧中间）。输出电压的缩放图显示了时域中的扩展纹波视图。我们可以清晰地看到，此纹波具有很高的周期性。游标测量基本周期为 450 kHz。纹波参数列出了峰峰波纹电压为 65.2 毫伏。 右侧网格中的迹线是纹波电压的频谱。左上方的表格列出了幅度的十个频率元器件的频率和幅度。它们还在频谱显示上开展