用數字熒光示波器對開關電源功率損耗進行精確分析

校正傳導延遲誤差

在開關電源內進行功率損耗測量之前，應先同步電壓和電流信號，以消除傳導延遲，這一點很重要，該過程稱作“偏移校正”。傳統方法是先計算電壓和電流信號之間的時滯，然后再以手動方式通過示波器的偏移校正范圍調整時滯。但這是一個非常冗長乏味的過程。

一個較簡單的方法是采用一種偏移校正夾具并選擇合適的示波器，如TDS5000系列示波器。進行偏移校正時，將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測試點上，偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out信號激勵，如果需要還可用外部信號源激勵偏移校正夾具。

另外在示波器上還可使用相應的測量軟件，利用其偏移校正能力自動設置示波器并計算由于探接造成的傳導延遲。偏移校正功能隨后可使用示波器偏移校正范圍，對時滯進行自動補償，測試設置準備好后就可開始進行精確測量了。圖2顯示了偏移校正之前和之后的電流和電壓信號。

非周期性開關信號功率損耗

如果發射極或漏極有接地，測量動態開關參數則較為簡單，但需在浮動電壓上測量差動電壓。若要精確測定并測量差動開關信號，最好使用差分探頭，可通過霍爾效應電流探頭查看穿過開關的電流而無需干擾電路本身，此時也可用測量軟件的自動偏移校正功能去除上述傳導延遲。

測量軟件的“開關損耗”功能可自動計算功率波形，并根據采集的數據測量開關的最小、最大和平均功率損耗，在分析開關功耗時，這些數據非常有用。如圖3所示，數據顯示為Turn on Loss、Turn off Loss和Power Loss。如果知道了接通和斷開時的功率損耗，便可著手解決電壓和電流躍遷，以減少功耗。

在負載變化期間，SMPS的控制回路將變換開關頻率以驅動輸出負載。請注意，當負載轉換時，開關裝置的功耗也隨之變化，所產生的功率波形將是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件很枯燥的任務，不過測量軟件的高級測量功能可自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，為用戶提供開關電源的相關信息。

負載動態變化功耗分析

在實際運行環境中，電源裝置會連續發生動態負載變化，所以測量中很重要的一步是要捕獲整個負載變化事件，并對開關損耗進行測定，以確保電源裝置不會因這些原因而過載。

當今大部分設計人員都采用具有深度存儲(2MB)和高取樣率的示波器，按要求的分辨率捕獲事件。但隨之而生的難題，是如何分析在各開關損耗點上所生成的大量數據，這時也可利用測量軟件加以解決，圖4是在開關電源上通過測量軟件獲得的典型功率波形結果。

在圖中可以看到捕獲數據中的開關事件次數和開關損耗最大值/最小值，此時用戶可輸入感興趣的范圍，以此查看所需的開關損耗點。只需在范圍內選擇感興趣的點，軟件便可在深度存儲數據內查找該點，找到后在光標位置周圍放大，以詳細觀察其活動。該功能加上前面提及的開關損耗測量功能可使用戶迅速有效地分析開關裝置的功率耗散情況。

電磁元件的功率損耗

另一種減少功率損耗的方法與磁芯有關。從典型AC/DC和DC/DC線路圖來看，電感器和變壓器是耗散功率的其它組件，不僅會影響功率效率，而且可造成熱耗散。

電感器的測試通常采用LCR計，它使用正弦波作為測試信號。但在開關電源里，電感器加載的是高壓高電流開關信號，都不是正弦信號，因此電源設計人員需監測實際通電的電感器或變壓器特性，此時用LCR計進行的測試可能無法反映實際情況。

觀察磁芯特征最有效方法是通過B-H曲線，因為B-H曲線能迅速揭示電源內電感器的特性。在電源接通和穩態期間，電感器和變壓器表現出不同的行為特征。在過去，若想查看和分析B-H特征，設計人員須先捕獲信號，然后在個人電腦上作進一步的分析，而現在可通過測量軟件直接在示波器上進行B-H分析，即時觀察電感器行為特征。在做深入分析時，該軟件還可在示波器上提供B-H圖和捕獲數據間的光標鏈接(圖5)。

B-H分析能力還可在實際SMPS環境中自動測量功率損耗和電感器值。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗，可在主磁芯及次磁芯上進行功率損耗測量，結果之差就是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外在無負載情況下，主磁芯功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內的總功率損耗，這些測量值可進一步揭示功率耗散區的信息。