使用差分來測試開關模式電源

在從墻壁插座到被供電設備的過程中，電力通常通過開關模式電源，其中交流信號在到達設備之前被整流為直流。之后，直流信號（通常為 5 V）被傳遞到設備 PC 板上的 DC-DC 轉換器，以將各種電壓饋送到設備供電網絡的分支。讓我們看一下與測試開關模式電源相關的一些測量技術和注意事項。

圖 1. 顯示的是一個基本開關模式電源電路，左側帶有用于交流輸入的二極管/電容器整流器，后面是由 PWM 控制器驅動的開關晶體管，該控制器確定在遠端看到多少直流功率。變壓器。
基本的開關電源電路是什么樣的？在圖 1 中，左側的輸入側以二極管和電容器開始，用于整流交流輸入。接下來是一個開關晶體管（通常是 MOSFET），由脈寬調制 (PWM) 控制器驅動，該控制器確定變壓器遠端有多少直流功率。其中一些信號被饋送到運算放大器，該運算放大器向 PWM 調制器提供反饋，以便它可以根據負載正確調整直流電壓。
可以在變壓器的兩側進行多種測量。在不以地為參考的輸入側，測量包括：
　　浪涌電流
　　電能質量
　　線路電源
　　開關損耗
　　安全操作區
　　控制回路
　　動態導通電阻
　　在以地為參考的輸出側，測量值包括：
　　階躍負載響應
　　波紋
　　變壓器BH（磁化）
　　飽和
　　關斷特性
　　測量電壓
開關模式電源上的電壓提出了一些測量挑戰。它們涵蓋從毫伏到千伏的寬動態范圍。在輸入側，它們不以地為參考。您必須關心電路負載的影響。而且，這本來就是一個嘈雜的環境；該噪聲可能會耦合到您的探頭和/或您要測量的信號中。
使用通用示波器和典型的 10 MΩ 無源探頭，測量電壓時會遇到以下問題：如果要探測 MOSFET，應將接地線連接到哪里？例如，如果 V GS的一側為 +175 V  ，另一側為 -175 V，則沒有真正的接地。當然，您可以將地連接到一側，但這可能會導致短路。探頭的接地線連接到示波器外殼，示波器外殼通過示波器電源線中的地線連接到大地（圖 2）。這會導致接地環路在攔截任何雜散磁場時就像短路的變壓器匝一樣。當然，承載高電流的導體會產生這些場。

圖 2. 探頭的接地線連接到示波器外殼，示波器外殼通過示波器電源線中的地線接地。這會導致接地環路在攔截任何雜散磁場時就像短路的變壓器匝一樣。
接地環路中的循環電流會在環路內的任何阻抗上產生電壓。對于交流元件，主要的損耗元件是感性的。探頭的接地引線形成一個電感器，該電壓的交流分量出現在該電感器上。因此，示波器探頭輸入處的電壓不等于探頭處的電壓。示波器測量 BNC 連接器處的電壓，而不是探頭的電壓。
解決這個問題的方法是使用真正的差分放大器，它可以為不以地為參考的信號提供的測量質量（圖 3）。差分放大器的輸出以地為參考，因此示波器保持安全接地。放大器的兩個輸入均為高阻抗，限度地減少了電容負載對電路操作和測量的影響。

圖 3. 接地環路問題的解決方案是使用真正的差分放大器，它可以為不以接地為參考的信號提供的測量質量。
差分放大器接收兩個輸入信號并將它們相減，從而無需接地。它還具有消除兩個探頭上的任何公共信號的優點（共模抑制）。因此，MOSFET 開關耦合的噪聲通常會進入兩個探頭并被抵消。 Teledyne LeCroy 的 DA1855A 是此類應用中常用的差分放大器的一個示例。