用数字荧光示波器对开关电源功率损耗进行精确分析

随着电子产品对开关电源需求不断增长，下一代开关电源的功率损耗测量分析也越来越重要。本文介绍如何将数字荧光示波器和功率测量软件结合起来，迅速测定开关电源的功率损耗，并轻松地完成各项所需的测量和分析任务。

高速GHz级处理器需要新型开关电源(SMPS)提供高电流和低电压，这给电源设计人员在效率、功率密度、可靠性和成本等方 面增加了新的压力。为了在设计中考虑这些需求，设计人员纷纷采用同步整流技术、有源功率滤波校正和提高开关频率等新型体系结构，但这些技术也随之带来了一 些新的难题，如开关上较高的功率损耗、热耗散和过度的EMI/EMC等。

从"关"(导通)至"开"(关断)状态转换期间，电源会出现较高的功率损耗；而处于"开"或"关"状态之中开关功率损耗则 较少，因为通过电源的电流或电源上的电压很小。电感器和变压器可隔离输出电压并平滑负载电流，但电感器和变压器也易受开关频率的影响，从而导致功率耗散和 偶尔由于饱和而造成故障。

功率损耗分析

由于开关电源内部消耗的功率决定了电源热效应的总体效率，所以测定开关装置和电感器/变压器的功率损耗是一项极为重要的测量工作，它可测定功率效率和热耗散。

设计人员在精确测量和分析各种设备的瞬时功率损耗时，会面临下面一些困难：

需要测试装置对功率损耗进行精确测量 如何校正电压和电流探头传导延迟所造成的误差 如何计算非周期性开关变化的功率损耗 如何分析负载动态变化期间的功率损耗 如何计算电感器或变压器的磁芯损耗

测试装置

图1为开关变换简化电路图，MOSFET场效应功率晶体管在40kHz时钟激励下控制着电流。图中的MOSFET没有与AC 馈电线接地或电路输出接地的连接，即与地隔离，因此无法用示波器进行简单的接地参考电压测量。因为若把探头的接地导线连接在MOSFET任何端子上，都会 使该点通过示波器与地短路。

在这种情况下，差分测量是测量MOSFET电压波形的最好方法。通过差分测量，可测定VDS即MOSFET漏极和源极的电压。VDS可在电压之上浮动，电压范围为几十伏至几百伏，这取决于电源的电压范围。可通过下面几种方法测量VDS：

1. 悬浮示波器的机箱地线。建议不要使用，因为这样不安全，对用户、被测设备和示波器都有危险。

2. 使用两个常规单端无源探头，将其接地导线连接在一起，然后用示波器的通道计算功能进行测量。这种测量法叫做准差分测量，虽然无源探头可与示波器的放大器结 合使用，但缺少避免共模电压"共模抑制比"(CMRR)功能。这种设置不能准确测量电压，不过可使用已有的探头，不必购买新配件。

3. 购买一个探头隔离器隔离示波器机箱接地。探头接地导线将不再为接地电位，并可将探头与测试点直接连接。探头隔离器是一种有效的解决方案，但比较昂贵，其成本是差分探头的二至五倍。

4. 在宽带示波器上使用真正的差分探头。可通过差分探头精确地测量VDS，这也是最好的方法。

通过MOSFET进行电流测量时，先将电流探头夹好，然后微调测量系统，许多差分探头都装有内置的直流偏移微调电容器。关闭 被测设备，待示波器和探头完全预热后，可设定示波器测量电压和电流波形的平均值。敏感度设置应使用实际测量所用的数值，在没有信号的情况下，调整微调电容 器，将每个波形的零位平均值调至0V。这一步骤可最大限度减少因测量系统内的静态电压和电流而导致的测量误差。

校正传导延迟误差

在开关电源内进行功率损耗测量之前，应先同步电压和电流信号，以消除传导延迟，这一点很重要，该过程称作"偏移校正"。传统方法是先计算电压和电流信号之间的时滞，然后再以手动方式通过示波器的偏移校正范围调整时滞。但这是一个非常冗长乏味的过程。

一个较简单的方法是采用一种偏移校正夹具并选择合适的示波器，如TDS5000系列示波器。进行偏移校正时，将差分电压探头 和电流探头连接到偏移校正夹具的测试点上，偏移校正夹具由示波器的Auxiliary输出或Cal-out信号激励，如果需要还可用外部信号源激励偏移校 正夹具。

另外在示波器上还可使用相应的测量软件，利用其偏移校正能力自动设置示波器并计算由于探接造成的传导延迟。偏移校正功能随后可使用示波器偏移校正范围，对时滞进行自动补偿，测试设置准备好后就可开始进行精确测量了。图2显示了偏移校正之前和之后的电流和电压信号。

非周期性开关信号功率损耗

如果发射极或漏极有接地，测量动态开关参数则较为简单，但需在浮动电压上测量差动电压