使用示波器和TCP0030A交直流电流探头进行开关电源测量

电源可用于多种电子设备，从儿童玩具到计算机、办公设备到工业设备。它们用于将电能从一种形式转换为另一种形式，以确保设备正常运行。常见的例子是交流-直流转换器，可将交流电压转换为稳压直流电压，或直流-直流转换器，可将电池电量转换为所需的电压水平。

电源种类繁多，从传统的线性电源到专为复杂、动态工作环境而设计的高效开关电源 (SMPS)。设备上的负载可能瞬息万变，即使是商用开关电源也必须能够承受远超平均工作水平的突发峰值负载。设计电源或使用电源的系统的工程师需要了解电源在从静止到最坏情况下的行为。

图 1. 利用功率分析软件表征的 SMPS 组件。

过去，表征电源的行为意味着使用数字万用表测量静态电流和电压，并在计算器或计算机上进行繁琐的计算。如今，大多数工程师将示波器作为首选的电源测量工具。

本应用说明将使用泰克 3 系列 MDO 示波器描述图 1 所示的常见开关电源测量。借助可选的功率测量和分析软件，这些示波器可提供自动功率测量，以便快速分析，并简化探头的设置和偏移校正，以实现最大精度。

准备电源测量

理想情况下，电源应完全按照设计和建模的方式运行。但现实情况是，组件并不完美;负载会发生变化;线路功率可能会失真;环境变化会影响性能。由于需要提高性能、提高效率、减小尺寸和降低成本，电源设计变得更加复杂。

鉴于这些设计挑战，必须正确设置测量系统，以准确捕获波形以供分析和故障排除。需要考虑的重要事项包括：

示波器采集模式

消除电压和电流探头之间的偏差

消除探头偏移

电流探头消磁

带宽限制滤波器

图 2.采样模式。

图 3.平均模式。

图 4.高分辨率模式

示波器采集模式

示波器的采集模式控制着电信号的采样、处理和显示方式。产生的波形点是数字值，存储在内存中并显示以构建波形。大多数示波器支持不同的采集模式，所选的采集模式可能会影响功率测量的准确性。了解采集模式如何工作以及它们对波形和随后的功率测量的影响非常重要。

每台示波器都提供采样模式，这是最简单的采集模式。如图 2 所示，示波器通过在每个波形间隔期间保存一个采样点来创建一个波形点(波形间隔在图中显示为 1、2、3 和 4)。建议使用采样模式测量通过多次采集获得的非重复信号，例如纹波和噪声分析。

大多数示波器制造商提供的另一种采集模式是平均模式。在平均模式下，示波器会像采样模式一样在每个波形间隔内保存一个采样点。然而，在平均模式下，连续采集的相应波形点随后被平均在一起以产生最终显示的波形，如图 3 所示。平均模式可降低噪声，但需要重复信号。在执行谐波分析或电能质量分析测量(如有效功率、无功功率和视在功率)时，平均模式特别有用。

泰克还提供高分辨率模式。在此模式下，在一个波形间隔内采集的多个连续样本被平均在一起，从单次采集中产生一个波形点，如图 4 所示。结果是带宽降低，因此噪声降低，低速信号的垂直分辨率提高。高分辨率对于在启动电源并在单次采集中获取数据时进行调制分析特别有用。高分辨率可以提高开关损耗等测量的准确性，这些测量基于瞬时功率等数学计算值。

图 5. 电压和电流探头之间的默认时序偏差。

图 6. 电压和电流探头之间的时序偏差的标称校正。

消除电压和电流探头之间的偏差

要使用数字示波器进行功率测量，必须测量被测设备的电压和电流。此任务需要两个独立的探头：一个电压探头(通常是高压差分探头)和一个电流探头。每个电压和电流探头都有自己的特性传播延迟，并且这些波形中产生的边沿很可能不会自动对齐。电流探头和电压探头之间的延迟差异(称为偏差)会导致幅度和时序测量不准确。了解探头的传播延迟对最大峰值功率和面积测量的影响非常重要，因为功率是电压和电流的乘积。如果电压和电流信号没有完全对齐，结果将不正确。

3 系列 MDO 提供“去偏斜”功能，可消除探头之间的偏斜。从任何通道菜单中，单击“多通道”按钮可调出去偏斜菜单。许多泰克探头的标称延迟值都存储在仪器中。TekVPI 探头将被识别，标称延迟值将自动填充。图 5 中的电压和电流波形的偏斜约为 8 ns，每个探头的传播延迟显示在信息框中。TDP0500(泰克差分电压探头)的标称传播延迟为 6.5 ns，而 TCP0030A(泰克电流探头)的标称传播延迟为 14.5 ns。传播延迟的差异为 8 ns。

校正探头之间的偏移非常简单，只需在偏移校正菜单中点击“OK，偏移校正”即可，如图 6 所示。选择此选项可将探头的“实际偏移校正”值调整为“建议偏移校正”值。假设探头启用了 TekVPI ®或通常支持自动探头偏移校正，则“建议偏移校正”值基于探头的标称传播延迟，该延迟存储在探头的内部存储器中。

图 7. 泰克相差校正脉冲发生器和相差校正夹具。

图 8.具有消磁/自动归零功能的 Tektronix TCP0030 AC/DC 电流探头。

将传播延迟设置为其标称值将非常接近正确校正它们，但仍可能无法精确对齐波形。为了精确对齐波形以获得最大的测量精度，需要使用 TEK-DPG(校正脉冲发生器)和校正装置。

TEK-DPG 为功率测量相差校正夹具(泰克部件编号 067-1686-XX)提供源信号，如图 7 所示。将探头连接到相差校正夹具后，可以手动拨入“实际相差校正”来更改相差校正值，从而精确对齐波形。

消除探头偏移

差分探头往往存在轻微的电压偏移。这种偏移会影响精度，必须在进行测量之前将其消除。大多数差分电压探头都具有内置直流偏移调节控制，这使得偏移消除过程相对简单。

在进行测量之前，可能还需要调整电流探头。电流探头偏移调整是通过将直流平衡调零到平均值 0 安培或尽可能接近 0 安培来进行的。支持 TekVPI 的探头(例如 TCP0030A AC/DC 电流探头)具有内置的自动消磁/自动归零程序，只需按下探头补偿盒上的按钮即可。

图 9. 连接 TDP0500 的 3 系列 MDO 示波器上可用的带宽限制滤波器。

消磁

电流探头还应具有易于使用的消磁功能。消磁可消除变压器磁芯中任何残余直流磁通，这可能是由大量输入电流引起的。该残余磁通会导致输出偏移误差，应将其消除以提高测量的准确性。

泰克 TekVPI 电流探头提供消磁警告指示器，可提醒用户执行消磁操作。由于电流探头可能随着时间的推移而产生显著的漂移，从而影响测量精度，因此消磁警告指示器是一项有用的功能。

带宽限制滤波器

限制示波器的带宽可消除显示波形中的噪声或不需要的高频内容，从而产生更清晰的信号。3 系列提供内置带宽限制滤波器，如图 9 所示。在某些情况下，探头也可能配备带宽限制滤波器。

用户在使用这些滤波器时应小心谨慎，因为第 n 阶谐波中包含的高频内容可能会从测量中消除。例如，如果测量 1 MHz 信号并评估第 40 次谐波，则至少需要 40 MHz 的系统带宽。将带宽限制滤波器设置为 20 MHz(这是图 10 所示示例中的可用选项)将消除此测量所需的频率内容。

电源测量

一旦测量系统正确设置，就可以开始进行功率测量。常见的功率测量可分为三类：输入分析、开关器件分析和输出分析。

输入分析

现实世界中的电力线从不提供理想的正弦波，线路上总是存在一些失真和杂质。开关电源对电源呈现非线性负载。因此，电压和电流波形并不相同。在输入周期的某个部分，电流会被吸收，从而导致输入电流波形产生谐波。分析电源输入的关键测量包括：

谐波

电能质量

图 10.谐波分析。

图 11.电能质量测量。

谐波

开关电源倾向于产生奇次谐波，这些谐波会回到电网中。这种影响是累积的，随着越来越多的开关电源连接到电网(例如，随着办公室增加更多的台式电脑)，返回电网的谐波失真总百分比可能会上升。由于这种失真会导致电网的电缆和变压器中积聚热量，因此有必要尽量减少谐波。IEC61000-3-2 等监管标准旨在监督特定非线性负载的电能质量。

确定这些失真的影响是电力工程的重要组成部分，使用示波器而不是万用表的好处是显著的。测量系统必须能够捕获高达基波第 50 次谐波的谐波分量。电力线频率通常为 50 Hz 或 60 Hz;尽管对于某些军事和航空电子应用，线路频率可能是 400 Hz。还应注意，信号畸变可能包含具有甚至更高频率分量的频谱分量。借助现代示波器的高采样率，可以非常详细地(分辨率)捕获快速变化的事件。相比之下，传统功率计由于其相对较慢的响应时间而可能忽略信号细节。

执行谐波分析与进行普通波形测量一样简单。由于本例中的信号是重复的周期性波形，因此触发和显示它是一件简单的事情。应显示至少五个周期以确保良好的频率分辨率，并且应设置垂直刻度，以使信号在显示屏上占据尽可能多的垂直刻度，以获得最佳测量精度。

图 10 显示了对电源负载电流进行谐波分析的结果。用户可以选择以表格或图形的形式查看结果，并可以选择查看“全部、奇数或偶数”谐波。谐波数据可以作为 CSV 文件保存到 USB 存储设备。还显示了相对于基波和 RMS 值的总谐波失真 (THD) 值。这些测量值可用于分析是否符合电源应用软件中包含的 IEC61000-3-2 和 MILSTD-1399 等标准。

电能质量

电能质量不仅仅取决于电力生产商。它还取决于电源和最终用户的负载。电源的电能质量特性决定了电源的“健康状况”，并确定了非线性负载引起的失真的影响。如图 11 所示，电源应用软件提供了一个结果表，其中包含以下自动测量值：V RMS和 I RMS、电压和电流波峰因数、有效功率、无功功率、视在功率和功率因数。

图 12.IGBT 上的开关损耗测量。

开关设备分析

大多数现代系统中流行的直流电源架构是 SMPS，因为它能够高效处理不断变化的输入电压和负载。SMPS 尽量减少使用电阻和线性模式晶体管等有损耗的元件，并强调(理想情况下)无损耗的元件。SMPS 设备还包括一个控制部分，其中包含脉冲宽度调制调节器、脉冲速率调制调节器和反馈环路等元件。

SMPS 技术依赖于功率半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。这些器件提供快速开关时间，并且能够承受不稳定的电压尖峰。此外，晶体管在开启或关闭状态下的功耗非常小，从而实现高效率和低散热。在大多数情况下，开关器件决定了 SMPS 的整体性能。开关器件的关键测量包括：

开关损耗

安全操作区

转换速率

开关损耗

晶体管开关电路通常在转换过程中耗散的能量最多，因为电路寄生效应会阻止器件瞬间切换。开关器件(如 MOSFET 或 IGBT)从关闭状态转换为开启状态时损失的能量定义为开启损耗。同样，关闭损耗是开关器件从开启状态转换为关闭状态时损失的能量。晶体管电路在切换过程中会因寄生电容和电感中的耗散元件以及二极管中存储的电荷而损失能量。正确分析这些损耗对于表征电源和衡量其效率至关重要。

如图 12 所示，开关损耗测量是在选定的采集区域(默认情况下为整个波形)内的完整周期内进行的，并且这些测量的统计数据是在采集过程中累积的，但不是在采集之间累积的。

测量开启和关闭损耗的主要挑战是损耗发生在非常短的时间段内，而开关周期剩余时间内的损耗则很小。这要求电压和电流波形之间的时序非常精确，测量系统偏移量最小，并且测量的动态范围足以准确测量开启和关闭电压和电流。如前所述，必须消除探头偏移，必须对电流探头进行消磁以消除探头中任何残留的直流磁通，并且必须最小化通道之间的偏移。

图 13.SOA 模板测试。

图 14. 斜率测量

另一个主要挑战是精确测量开关损耗所需的高动态范围。开关器件两端的电压在开启和关闭状态之间变化很大，因此很难在一次采集中准确测量两种状态。使用 3 系列有三种方法可以确定正确的值：

测量导通期间开关器件两端的电压降。由于此电压通常与开关器件不导通时的电压相比非常小，因此通常无法在示波器的同一垂直设置下准确测量这两个电压。

根据器件数据表提供 RDS(on) 值(MOSFET 的最佳模型)。该值是器件导通时漏极和源极之间的预期导通电阻。

根据器件数据表提供 VCE(sat) 值(BJT 和 IGBT 的最佳模型)。这是器件饱和时从集电极到发射极的预期饱和电压。

安全操作区 (SOA)

晶体管的安全工作区 (SOA) 定义了器件在不受损坏的情况下可以运行的条件;具体来说，就是在给定电压下有多少电流可以流过晶体管。超过这些限制可能会导致晶体管失效。SOA 是一种图形测试技术，它考虑了开关器件的限制，例如最大电压、最大电流和最大功率，并确保开关器件在指定的限制范围内运行。

开关设备制造商的数据表总结了开关设备的某些约束。目的是确保开关设备能够承受电源在其最终用户环境中必须处理的操作边界。SOA 测试变量可能包括各种负载场景、工作温度变化、高低线路输入电压等。如图 13 所示，创建了一个用户可定义的掩码，以确保开关设备在电压、电流和功率方面遵守定义的公差。掩码违规将报告为电源应用中的故障。

转换速率

为了验证开关设备是否以最高效率运行，需要测量电压和电流信号的斜率，以验证电路是否在规格范围内运行。如图 14 所示，示波器用于通过使用测量光标来确定开关信号的斜率，从而简化栅极驱动特性分析和开关 dv/dt 或 di/dt 计算。

图 15. 上电期间 IGBT 栅极驱动的调制分析。

输出分析

理想情况下，直流电源的输出不应有任何开关谐波或其他非理想噪声分量。但实际上这是不可能的。输出分析测量对于确定输入电压或负载变化对输出电压的影响至关重要。这些测量包括：

调制分析

波纹

调制分析

3 系列的数字荧光采集技术在排除设计故障时具有独特优势，尤其是在识别开关电源中的过度调制效应时。这些示波器的最大波形捕获率超过 270,000 wfm/s，比典型的数字存储示波器 (DSO) 高出许多倍。这在调查调制效应时提供了两个优势。首先，示波器大部分时间处于活动状态，处理波形以进行显示的时间更少。因此，示波器有更多机会捕获调制。其次，数字荧光显示器使实时查看调制波形变得更加容易。显示屏会强化信号轨迹最频繁交叉的区域，就像模拟示波器一样。调制比连续重复的主波形更暗，因此更容易看到。

使用泰克示波器测量调制效果也很容易。图 15 显示了控制电源上电流模式控制环路输出的脉冲宽度调制信号。调制在反馈系统中对于控制环路非常重要。但是，过多的调制会导致环路变得不稳定。红色波形是数学波形，显示了电源振荡器启动时对 IGBT 栅极驱动信号进行的周期间脉冲宽度测量的趋势。由于数学波形表示脉冲宽度测量值(以时间为单位)，因此可以使用光标测量脉冲宽度的变化。数学值表示所选调制测量在采集波形中的趋势。在本例中，它表示振荡器控制环路在启动期间的响应。这种调制分析还可用于测量电源控制环路对输入电压变化(“线路调节”)或负载变化(“负载调节”)的响应。

图 16.纹波测量。

波纹

纹波是叠加在电源直流输出上的交流电压。它以正常输出电压的百分比或峰峰值电压表示。线性电源的纹波通常接近线路频率的两倍(~120 Hz)，而开关电源的开关纹波可能达到数百 kHz。

结论

电源几乎是所有线路供电和电池供电电子产品不可或缺的一部分，而开关电源 (SMPS) 已成为许多应用中的主导架构。单个开关电源的性能(或其故障)可能会影响大型昂贵系统的命运。

为了确保新兴 SMPS 设计的可靠性、稳定性、性能和合规性，设计工程师必须执行许多复杂的功率测量。带有功率分析应用模块的泰克 3 系列 MDO 示波器大大简化了电源分析。谐波、电能质量、开关损耗、安全工作区、斜率、调制和纹波等自动功率测量可确保快速分析，而探头的简化设置和偏移校正可提供最大的精度。

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审核编辑 黄宇