教你正確使用示波器電源分析插件

概要：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。電源測試項目多，計算量大，統(tǒng)計繁瑣等問題一直困擾著工程師們，為了解決這些問題，今天就帶您走進開關(guān)電源測試的新世界{零式未來代理}

示波器電源測試分析主要實現(xiàn)使用示波器來對電源(開關(guān)電源)進行相關(guān)測試，提高電源開發(fā)人員的工作效率，方便對電源模塊進行測試。主要涉及開關(guān)電源(AC/DC)有關(guān)測試。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載變化而聞名。典型 SMPS 的電源信號路徑包括無源元件、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，如下表為進入電源分析測試界面后，對于各個測試功能的測試項目。首先我們先以最常見的開關(guān)損耗測試為例進行講解。

一、開關(guān)損耗測試

1. 測試原理

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 實際損耗

針對功率損耗主要計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

1. 測試步驟

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，點擊【Analyze】進入電源分析測試界面，在【功能】中選擇【開關(guān)損耗】點擊【參數(shù)配置】進入?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)通計算選擇。

圖5 開關(guān)損耗參數(shù)設(shè)置

計算結(jié)果表格如圖6所示。

圖6 開關(guān)損耗測量結(jié)果

當(dāng)前值：該行結(jié)果為當(dāng)前樣本的計算結(jié)果。

最大值、最小值和平均值：統(tǒng)計結(jié)果，可以使用 Clear 進行清除并重新開始統(tǒng)計。

功率最大統(tǒng)計項(P)：瞬時功率最大值。

能量最大統(tǒng)計項（E）：與瞬時功率對應(yīng)的能量，其時間是一個采樣間隔。

功率平均值統(tǒng)計項(P)：整個樣本平均功率。

有的工程師會問了，這么多的功率值我主要參考哪個值呢？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，認(rèn)為該狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。

參考電流——用來識別關(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，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，測量電容ESR 等。環(huán)路分析的一個重要作用就是分析開關(guān)電源的穩(wěn)定性。

1. 測試原理

掃頻測試原理主要是給開關(guān)電源電路注入一個頻率變化的正弦信號，測量開關(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)路分析也有單頻點測試功能。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 時對應(yīng)的頻率；

相位裕度：增益為 0dB 時對應(yīng)的相位差；

增益裕度：相位為 0°時對應(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 上面進行環(huán)路電路的設(shè)計和模擬，在開發(fā)的中后期，則可以使用 ZDS3000/4000 系列示波器的環(huán)路分析功能進行實際的環(huán)路電路特性的驗證和改進。

1. 測試步驟

開關(guān)電源實際上是一個包含了負反饋控制環(huán)路的放大器，會放大交流信號并對負載變化作出反饋響應(yīng)。為了完成控制環(huán)路響應(yīng)測試，需要把一個擾動信號（一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號或單一頻點正弦波信號）注入到控制環(huán)路的反饋路徑中。這個反饋路徑就是指 R1 和 R2 的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。我們需要把一個阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中，才能注入一個擾動信號。例如下圖 9 所示的注入電阻為 5 Ω，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低阻值注入電阻器作為長久使用的測試器件。另外還需要使用一個隔離變壓器來隔離這個交流干擾信號，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。由于實際的注入和輸出的電壓一般都很小，因此信號注入端建議使用 BNC 頭轉(zhuǎn)夾子的線纜進行信號注入，并且使用 X1 的探頭進行注入端和反饋端的信號測量。環(huán)路功能的同步環(huán)路測試時，需要使用致遠電子環(huán)路測試配套的信號發(fā)生模塊與ZDS3000/4000 系列示波器相連，通過示波器控制信號發(fā)生模塊配合生成需要的頻率信號，環(huán)路測試信號接線圖如圖9所示。

圖9 環(huán)路測試信號接線

同步環(huán)路測試的實物連接圖如圖 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)輸出端與信號發(fā)生模塊，信號發(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，將信號注入到被測板的注入電阻兩端，然后用兩根衰減比為 X1 的探頭，測量注入端與輸出端的信號。

圖10 環(huán)路測試實物連接

1. 參數(shù)設(shè)置

點擊示波器面板上【Analyze】鍵，再點擊【環(huán)路測試】按鈕，進入環(huán)路測試功能菜單。點擊【參數(shù)設(shè)置】按鈕，會彈出參數(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)路功能的運行可以點擊菜單的【運行停止】測試啟動后，界面會切換到環(huán)路掃頻運行的界面，功能會根據(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、頻率與增益的動態(tài)曲線，其中，藍色曲線為增益曲線，橙色曲線為相位曲線。如圖 12所示：

圖12 掃頻測試運行中

1. 界面說明

ZDS3000/4000 系列環(huán)路分析功能擁有獨特的掃頻分析操作界面，對測試操作和用戶體驗進行了創(chuàng)新性地設(shè)計，如圖 13所示：

圖13 環(huán)路測試掃頻界面

包含有如下區(qū)域：

掃頻波形顯示區(qū)域：藍色曲線為增益曲線，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 進行滾動查看每個測量點，并可放大顯示；

快捷操作觸摸按鈕區(qū)域：這個區(qū)域擁有一排快捷操作按鈕，觸摸點擊操作，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，在掃頻運行過程中，功能會自動調(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，用戶可以自己手動修改垂直檔位和范圍。

存儲通道操作區(qū)域：功能可支持存儲 8 組之前的掃頻曲線，方便進行測試之間的對比。可對每組存儲通道進行顯示隱藏、重命令、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作。

1. 結(jié)果分析

過掃頻曲線伯德圖，可以直觀地看到整個頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢，方便觀察和分析，做到心中有數(shù)。實測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)定的一個重要指標(biāo)。