示波器数学函数有助于热插拔电路分析

数字示波器是大多数工程实验室的常态，但您可能还没有充分探索它们的功能。数字示波器更有趣的功能之一是“数学”通道，它可以以新颖的方式应用于简化和扩展热插拔和负载开关电路的分析。本应用笔记介绍了如何将示波器的探头连接到热插拔电路，以获得MOSFET功耗和负载电容的精确值。MAX5976热插拔方案作为示例器件。

介绍

数字示波器更有趣的功能之一是“数学”通道，它可以以新颖的方式应用于简化和扩展热插拔和负载开关电路的分析。通过巧妙的使用，示波器数学功能可以计算负载电容或揭示启动或关断期间MOSFET中的瞬态功耗。数学函数可以生成有关热插拔电路参数的详细实际信息，否则这些信息会受到近似和估计的影响。这些信息对于热插拔和负载开关电路的设计和故障排除都是非常宝贵的。

本应用笔记介绍了如何将示波器的探头连接到热插拔电路，以获得MOSFET功耗和负载电容的精确值。

示波器设置

为简单起见，我们选择了MAX5976热插拔方案，该方案将内部MOSFET开关元件与电流检测和驱动电路相结合，以实现完整的电源开关电路。（以下测试方法也适用于由分立元件构建的热插拔控制电路。如图1所示，通过将示波器探头连接到热插拔电路，示波器可以访问计算所需的信号。连接到输入和输出的电压探头提供 MOSFET 两端的压降;电流探头提供了检测通过 MOSFET 的负载电流的最简单方法。

图1.示波器探头连接到MAX5976和MAX5978热插拔电路。这些示波器连接获得的波形馈送示波器的高级数学函数。

请注意，相同的基本连接适用于非集成热插拔电路。在MOSFET前后连接输入和输出电压探头（MAX5976内部，MAX5978外部），并将电流探头与电路的检流电阻串联。为了准确测量流过开关元件本身的电流，应将电流探头放置在输入旁路电容之后和输出电容之前。

场效应管功耗

开关元件（通常为 n 沟道 MOSFET）中的功耗是漏源电压 （VDS） 和漏极电流 （ID).在我们的测试设置中，VDS是通道 2 和通道 1 之间的区别，而 ID由电流探头直接测量。此示例中使用的示波器（泰克 DPO3034）具有通过高级数学菜单配置的数学跟踪（图 2）。®

图2.此菜单允许您在 DPO3034 数字示波器的高级数学功能中编辑数学表达式。

要测量MOSFET中的功耗，只需输入一个表达式，从通道1中减去通道2。将结果乘以电流探头信号。当热插拔电路使能时，其输出电压以特定的dV/dt压摆率上升至输入电位。负载电容充电电流（ID） 根据以下特性流经 MOSFET：

ID = COUT × dV/dt

在示波器上捕获此启动事件可得到图3a所示的波形，其输出电容为360μF和V在= 12V。MAX5976将浪涌电流限制在2A。请注意，功率波形呈递减斜坡，从12V开始×2A = 24W，随着输出上升到0V而下降到12W。这种行为正是我们对热插拔电路以恒定电流为负载电容充电所期望的。

图 3a.图1所示电路的MOSFET功耗（红色迹线）表示C。外= 360μF. 浪涌电流被钳位至 2A。

以这种方式测量的功率波形可用于确定 MOSFET 是否在其安全工作区 （SOA） 内，或者参考 MOSFET 数据手册中的相关图表来估计其结温的升高。直接从实际测量中确定波形消除了近似功耗的固有误差。此外，在浪涌电流和dV/dt都不恒定的启动事件期间，可以准确捕获功率波形（图3b）。

图 3b.在浪涌电流和dV/dt都不恒定的启动期间准确捕获功率波形。这里浪涌电流被解开。

如果示波器中的数学函数包括积分操作数，则可以进一步计算此波形，以显示导致FET中显着功耗的任何事件中沉积在MOSFET中的总能量。图4将积分功能应用于MOSFET的功率信息。

图4.功耗积分产生启动期间沉积在图1所示MOSFET中的总能量。

如图 3a 所示，C外为 360μF，浪涌电流被钳位至 2A。由于功率波形呈三角形，启动持续时间约为2ms，因此我们预计MOSFET中约有24W/2×2ms = 24mJ的能量转化为热量。事实上，在启动活动结束时，数学通道的功率积分几乎正好达到 24mWs （= 24mJ） 的能量！

显然，这种技术也可以应用于影响MOSFET的其他瞬态条件，例如关断和短路或过载事件。在检查MOSFET的SOA和热特性时，这些详细的功率和能量信息可用于精确计算脉冲持续时间和单脉冲功率。

测量负载电容

在数字示波器的数学功能中，积分操作数还可用于测量热插拔负载电容，前提是启动期间阻性负载电流很小。

电容是施加到电容器的每伏特存储的电荷量;电荷只是电流的时间积分。因此，通过对热插拔浪涌电流进行积分并除以输出电压，示波器的数学功能可以以惊人的精度测量总负载电容。在图5a中，热插拔控制器由三个陶瓷输出电容使能，每个电容的标称值为10μF。数学跟踪最初毫无意义，因为 V 之前的除以零问题外上升。但是，当V外超过零时，数学通道迅速收敛至大约 27μF 的测量电容。 请注意，此积分的数学函数单位没有正确表示 - 现代数字示波器令人惊叹，但它们仍然无法读懂我们的思想或理解我们的意图！

图 5a.图1用C测量输出电容外= 30μF。

图5b重复了图5a的实验，但在输出端增加了一个标称值为330μF的铝电解电容。请注意，当启动事件结束时，数学迹线显示测得的输出电容约为360μF，几乎完全符合我们的预期。请记住，阻性负载会消耗未存储在电容器中的电流，从而降低这些电容测量的精度。然而，对于短期测量，结果仍然非常有用。

图 5b.图1用C测量输出电容外= 30μF + 330μF。

审核编辑：郭婷