【導(dǎo)讀】開關(guān)電源的質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的技術(shù)性能以及其安全性和可靠性。電源測(cè)試項(xiàng)目多，計(jì)算量大，統(tǒng)計(jì)繁瑣等問題一直困擾著工程師們，為了解決這些問題，今天就帶您走進(jìn)開關(guān)電源測(cè)試的新世界。
示波器電源測(cè)試分析主要實(shí)現(xiàn)使用示波器來對(duì)電源(開關(guān)電源)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，提高電源開發(fā)人員的工作效率，方便對(duì)電源模塊進(jìn)行測(cè)試。主要涉及開關(guān)電源(AC/DC)有關(guān)測(cè)試。在大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中，流行的DC電源結(jié)構(gòu)是開關(guān)電源(SMPS)，這種電源因能夠高效處理負(fù)載變化而聞名。
典型SMPS的電源信號(hào)路徑包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了有損耗的元件的使用量，如電阻器和線性模式晶體管，重點(diǎn)采用(在理想條件下)沒有損耗的元件，如開關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。其主要構(gòu)成如圖1所示。
圖1 開關(guān)電源原理圖
開關(guān)電源的測(cè)試參數(shù)主要包括輸入端分析、輸出端分析、磁性元件分析、開關(guān)器件分析、調(diào)制分析、環(huán)路分析等，如下表為進(jìn)入電源分析測(cè)試界面后，對(duì)于各個(gè)測(cè)試功能的測(cè)試項(xiàng)目。首先我們先以最常見的開關(guān)損耗測(cè)試為例進(jìn)行講解。
一 開關(guān)損耗測(cè)試
1、測(cè)試原理
開關(guān)電源的開關(guān)器件總是工作在打開或關(guān)閉狀態(tài)，可以提供更高的效率。理想情況下，開關(guān)器件打開和關(guān)閉是沒有損耗的。如圖2所示。
ON = 完全導(dǎo)通(理想情況下 V = 0，意味著開關(guān)損耗 P = V x I = 0)
OFF = 完全關(guān)閉(理想情況下 I = 0，意味著開關(guān)損耗 P = V x I = 0)
圖2 理想開關(guān)器件
但現(xiàn)實(shí)情況中，是在存功率損耗的。主要包括開關(guān)損耗，傳導(dǎo)損耗。如下圖3所示。
圖3 實(shí)際損耗
針對(duì)功率損耗主要計(jì)算主要包括三部分之和：
導(dǎo)通過程損耗+關(guān)閉過程損耗+導(dǎo)通損耗
Ploss=Pon+Poff+Pcond
2、測(cè)試步驟
開關(guān)元件分析的接線示意圖如下圖4所示。其中通道1使用高壓差分電壓探頭接開關(guān)的兩端，通道2使用電流探頭接開關(guān)的一端
圖4 開關(guān)元件接線示意圖
調(diào)節(jié)好電流探頭和電壓探頭的探頭比率后，點(diǎn)擊【Analyze】進(jìn)入電源分析測(cè)試界面，在【功能】中選擇【開關(guān)損耗】點(diǎn)擊【參數(shù)配置】進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，如下圖5所示。參數(shù)設(shè)置用于判定開關(guān)的狀態(tài)，需要進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)有電壓通道、電流通道、參考電壓、參考電流和導(dǎo)通計(jì)算選擇。
圖5 開關(guān)損耗參數(shù)設(shè)置
計(jì)算結(jié)果表格如圖6所示。
圖6 開關(guān)損耗測(cè)量結(jié)果
● 當(dāng)前值：該行結(jié)果為當(dāng)前樣本的計(jì)算結(jié)果。
● 最大值、最小值和平均值：統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以使用Clear進(jìn)行清除并重新開始統(tǒng)計(jì)。
● 功率最大統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(P)：瞬時(shí)功率最大值。
● 能量最大統(tǒng)計(jì)項(xiàng)（E）：與瞬時(shí)功率對(duì)應(yīng)的能量，其時(shí)間是一個(gè)采樣間隔。
● 功率平均值統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(P)：整個(gè)樣本平均功率。
有的工程師會(huì)問了，這么多的功率值我主要參考哪個(gè)值呢？小編建議是以當(dāng)前值為參考值哦。
圖7 dv/dt 或 di/dt 效果圖
其中：黃色為dv/dt，綠色為di/dt。
參考電壓——用來識(shí)別導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電壓值小于波形最大電壓的參考電壓百分比時(shí)，認(rèn)為該狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。
參考電流——用來識(shí)別關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電流值小于波形最大電流的參考百分比時(shí)，認(rèn)為該狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。
參考電壓和參考電流一般設(shè)置為默認(rèn)值就可以。
二 環(huán)路分析
環(huán)開關(guān)電源的環(huán)路分析，可以測(cè)量系統(tǒng)的增益、相位隨頻率變化的曲線(伯德圖)，分析系統(tǒng)的增益余量與相位余量，以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在被動(dòng)器件的阻抗分析中，環(huán)路分析可以觀察電容、電感的高頻阻抗曲線，測(cè)量電容ESR等。環(huán)路分析的一個(gè)重要作用就是分析開關(guān)電源的穩(wěn)定性。
1、測(cè)試原理
掃頻測(cè)試原理主要是給開關(guān)電源電路注入一個(gè)頻率變化的正弦信號(hào)，測(cè)量開關(guān)電源在頻域上的特性，通過分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，可以為電子工程師設(shè)計(jì)穩(wěn)定的控制電路提供直觀的數(shù)據(jù)。另外，環(huán)路分析也有單頻點(diǎn)測(cè)試功能。利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位，如圖8所示。
圖8 伯德圖及相關(guān)參數(shù)
伯德圖相關(guān)參數(shù)有：
● 穿越頻率：增益為 0dB 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率；
● 相位裕度：增益為 0dB 時(shí)對(duì)應(yīng)的相位差；
● 增益裕度：相位為 0°時(shí)對(duì)應(yīng)的增益差。
系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過伯德圖中的相位余量，增益余量，穿越頻率來衡量。
系統(tǒng)開發(fā)期間，研發(fā)人員可以在開發(fā)前期使用系統(tǒng)仿真軟件Saber、PSIM、simplis上面進(jìn)行環(huán)路電路的設(shè)計(jì)和模擬，在開發(fā)的中后期，則可以使用ZDS3000/4000系列示波器的環(huán)路分析功能進(jìn)行實(shí)際的環(huán)路電路特性的驗(yàn)證和改進(jìn)。
2、測(cè)試步驟
開關(guān)電源實(shí)際上是一個(gè)包含了負(fù)反饋控制環(huán)路的放大器，會(huì)放大交流信號(hào)并對(duì)負(fù)載變化作出反饋響應(yīng)。為了完成控制環(huán)路響應(yīng)測(cè)試，需要把一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)（一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號(hào)或單一頻點(diǎn)正弦波信號(hào)）注入到控制環(huán)路的反饋路徑中。這個(gè)反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。我們需要把一個(gè)阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中，才能注入一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)。
例如下圖9所示的注入電阻為5Ω，注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的。所以，用戶可以考慮把這個(gè)低阻值注入電阻器作為長(zhǎng)久使用的測(cè)試器件。另外還需要使用一個(gè)隔離變壓器來隔離這個(gè)交流干擾信號(hào)，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。由于實(shí)際的注入和輸出的電壓一般都很小，因此信號(hào)注入端建議使用BNC頭轉(zhuǎn)夾子的線纜進(jìn)行信號(hào)注入，并且使用X1的探頭進(jìn)行注入端和反饋端的信號(hào)測(cè)量。
環(huán)路功能的同步環(huán)路測(cè)試時(shí)，需要使用致遠(yuǎn)電子環(huán)路測(cè)試配套的信號(hào)發(fā)生模塊與ZDS3000/4000系列示波器相連，通過示波器控制信號(hào)發(fā)生模塊配合生成需要的頻率信號(hào)，環(huán)路測(cè)試信號(hào)接線圖如圖9所示。
圖9 環(huán)路測(cè)試信號(hào)接線
同步環(huán)路測(cè)試的實(shí)物連接圖如圖10所示，該圖中使得一根BNC線纜連接ZDS3000/4000系列背部的觸發(fā)輸出端與信號(hào)發(fā)生模塊，信號(hào)發(fā)生模塊的輸出再用BNC線纜連接到隔離變壓器，隔離變壓器的輸出通過BNC轉(zhuǎn)夾子的線纜，將信號(hào)注入到被測(cè)板的注入電阻兩端，然后用兩根衰減比為X1的探頭，測(cè)量注入端與輸出端的信號(hào)。
圖10 環(huán)路測(cè)試實(shí)物連接
3、參數(shù)設(shè)置
點(diǎn)擊示波器面板上【Analyze】鍵，再點(diǎn)擊【環(huán)路測(cè)試】按鈕，進(jìn)入環(huán)路測(cè)試功能菜單。點(diǎn)擊【參數(shù)設(shè)置】按鈕，會(huì)彈出參數(shù)設(shè)置窗口，旋轉(zhuǎn)旋鈕A可選擇參數(shù)，短按旋鈕A后可進(jìn)行參數(shù)修改，其中包括【參數(shù)設(shè)置】、【濾波設(shè)置】和【同步設(shè)置】。如圖11所示：
圖11 參數(shù)設(shè)置菜單
環(huán)路功能的運(yùn)行可以點(diǎn)擊菜單的【運(yùn)行停止】測(cè)試啟動(dòng)后，界面會(huì)切換到環(huán)路掃頻運(yùn)行的界面，功能會(huì)根據(jù)當(dāng)前采樣到的頻率、相位差、增益，不斷地繪制出頻率與相位、頻率與增益的動(dòng)態(tài)曲線，其中，藍(lán)色曲線為增益曲線，橙色曲線為相位曲線。如圖12所示：
圖12 掃頻測(cè)試運(yùn)行中
4、界面說明
ZDS3000/4000系列環(huán)路分析功能擁有獨(dú)特的掃頻分析操作界面，對(duì)測(cè)試操作和用戶體驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)，如圖13所示：
圖13 環(huán)路測(cè)試掃頻界面
包含有如下區(qū)域：
● 掃頻波形顯示區(qū)域：藍(lán)色曲線為增益曲線，橙色曲線為相位曲線，PM/GM 信息顯示在右上角，可通過旋鈕 B 進(jìn)行滾動(dòng)查看每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并可放大顯示；
● 快捷操作觸摸按鈕區(qū)域：這個(gè)區(qū)域擁有一排快捷操作按鈕，觸摸點(diǎn)擊操作，例如可以載入校準(zhǔn)參數(shù)，可以切換增益和相位曲線的顯示方式；
● 增益相位垂直刻度：顯示當(dāng)前增益曲線和相位曲線的垂直刻度，在掃頻運(yùn)行過程中，功能會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直刻度，以滿足變化的曲線顯示范圍。在掃頻結(jié)束后，用戶可以自己手動(dòng)修改垂直檔位和范圍。
● 存儲(chǔ)通道操作區(qū)域：功能可支持存儲(chǔ)8組之前的掃頻曲線，方便進(jìn)行測(cè)試之間的對(duì)比?？蓪?duì)每組存儲(chǔ)通道進(jìn)行顯示隱藏、重命令、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作。
5、結(jié)果分析
過掃頻曲線伯德圖，可以直觀地看到整個(gè)頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢(shì)，方便觀察和分析，做到心中有數(shù)。實(shí)測(cè)電源的掃頻曲線如圖13所示，增益裕量（GM）和相位裕量（PM）信息顯示在掃頻界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB時(shí)的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量開關(guān)電源穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)。
本文轉(zhuǎn)載自ZLG立功科技。
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