用數字熒光示波器對開關電源功率損耗進行精確分析

隨著電子產品對開關電源需求不斷增長，下一代開關電源的功率損耗測量分析也越來越重要。本文介紹如何將數字熒光示波器和功率測量軟件結合起來，迅速測定開關電源的功率損耗，并輕松地完成各項所需的測量和分析任務。

高速GHz級處理器需要新型開關電源(SMPS)提供高電流和低電壓，這給電源設計人員在效率、功率密度、可靠性和成本等方面增加了新的壓力。為了在設計中考慮這些需求，設計人員紛紛采用同步整流技術、有源功率濾波校正和提高開關頻率等新型體系結構，但這些技術也隨之帶來了一些新的難題，如開關上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC等。

從“關”(導通)至“開”(關斷)狀態轉換期間，電源會出現較高的功率損耗；而處于“開”或“關”狀態之中開關功率損耗則較少，因為通過電源的電流或電源上的電壓很小。電感器和變壓器可隔離輸出電壓并平滑負載電流，但電感器和變壓器也易受開關頻率的影響，從而導致功率耗散和偶爾由于飽和而造成故障。

功率損耗分析

由于開關電源內部消耗的功率決定了電源熱效應的總體效率，所以測定開關裝置和電感器/變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作，它可測定功率效率和熱耗散。

設計人員在精確測量和分析各種設備的瞬時功率損耗時，會面臨下面一些困難：

• 需要測試裝置對功率損耗進行精確測量
• 如何校正電壓和電流探頭傳導延遲所造成的誤差
• 如何計算非周期性開關變化的功率損耗
• 如何分析負載動態變化期間的功率損耗
• 如何計算電感器或變壓器的磁芯損耗

測試裝置

圖1為開關變換簡化電路圖，MOSFET場效應功率晶體管在40kHz時鐘激勵下控制著電流。圖中的MOSFET沒有與AC饋電線接地或電路輸出接地的連接，即與地隔離，因此無法用示波器進行簡單的接地參考電壓測量。因為若把探頭的接地導線連接在MOSFET任何端子上，都會使該點通過示波器與地短路。

在這種情況下，差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。通過差分測量，可測定VDS即MOSFET漏極和源極的電壓。VDS可在電壓之上浮動，電壓范圍為幾十伏至幾百伏，這取決于電源的電壓范圍。可通過下面幾種方法測量VDS：

1. 懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用，因為這樣不安全，對用戶、被測設備和示波器都有危險。
2. 使用兩個常規單端無源探頭，將其接地導線連接在一起，然后用示波器的通道計算功能進行測量。這種測量法叫做準差分測量，雖然無源探頭可與示波器的放大器結合使用，但缺少避免共模電壓“共模抑制比”(CMRR)功能。這種設置不能準確測量電壓，不過可使用已有的探頭，不必購買新配件。
3. 購買一個探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭接地導線將不再為接地電位，并可將探頭與測試點直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但比較昂貴，其成本是差分探頭的二至五倍。
4. 在寬帶示波器上使用真正的差分探頭。可通過差分探頭精確地測量VDS，這也是最好的方法。

通過MOSFET進行電流測量時，先將電流探頭夾好，然后微調測量系統，許多差分探頭都裝有內置的直流偏移微調電容器。關閉被測設備，待示波器和探頭完全預熱后，可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。敏感度設置應使用實際測量所用的數值，在沒有信號的情況下，調整微調電容器，將每個波形的零位平均值調至0V。這一步驟可最大限度減少因測量系統內的靜態電壓和電流而導致的測量誤差。