使用4000系列数字荧光示波器进行电源测量

引言

电源分成许多不同的类型和规格，包括传统线性电源到高效的开关电源（SMPS）。所有这些电源都面临着复杂的动态工作环境。设备负载和需求在不同时间之间可能会大幅度变化。即使是"日常的"开关电源也必须能够承受突然出现的远远超过平均工作电流的峰值电流。

此外，必须检定电源的功率电平、输出纯度和到电源线的谐波反馈，以满足国家和地区电源质量标准。从历史上看，这些测量类型意味着使用数字万用表进行静态电流和电压测量，然后在计算器或PC上进行麻烦的计算。

今天，大多数工程师正转向示波器作为首选的电源测量平台。本应用指南将重点介绍怎样使用示波器进行基本电源测量。

准备电源测量

对习惯使用示波器进行高带宽测量的工程师来说，电源测量频率相对较低，似乎非常简单。事实上，电源测量也有很多高速电路设计人员从未见过的一系列挑战。经过开关设备的电压可能会非常大，而且是"浮动的"，即没有参考接地。信号的脉宽、周期、频率和占空比会变化，必须如实地捕获波形，分析其不理想特点。

示波器必须具有基本带宽和采样率，处理SMPS内部的开关频率。电源测量要求示波器至少有两条通道，一条用于电压测量，一条用于电流测量。提高电源测量简便程度和可靠性的工具也同样非常重要。下面是部分考虑因素：

是否提供安全精确的电压和电流探测解决方案？ 是否有一种快速方式，调节探头的不同延迟？ 是否有使探头偏置达到最小的有效流程？ 仪器能否配备充足的记录长度，以高分辨率捕获很长的工频波形？

这些特点为有效执行电源设计测量奠定了基础。

安全准确地探测电压波形和电流波形

在使用数字示波器进行电源测量时，必须测量设备中的电压及电流。这一任务要求使用两只不同的探头：一只电压探头(通常是高压差分探头)，一只电流探头。图1显示了开关式电源(SMPS)中的典型测量方案。在范围在几kHz到几MHz的时钟驱动下，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)控制着电流。

测量经过MOSFET的电流相对简单，可以使用许多不同的泰克霍尔效应电流探头完成，如TCP0030。而测量电压则会面临更多的问题。MOSFET没有连接到交流电源接地或电路输出接地上。因此，不可能使用示波器进行接地参考电压测量，因为把探头的地线连接到任何MOSFET端子上都会使通过示波器接地的电路短路。

进行差分测量是测量MOSFET电压的最佳方式。在差分测量中，可以测量漏极到源极电压(VDS)，即MOSFET漏极和源极端子中的电压。VDS可以位于几十伏到几百伏电压的顶部，具体视电源的范围而定。

可以通过多种方法测量VDS：

浮动示波器的机箱接地。绝对不要采用这种方式，因为这种非常不安全，会给用户、被测设备和示波器带来危险。 使用传统无源单端探头，把地线相互连接起来，使用示波器的通道匹配功能。这种测量方式称为准差分测量。但是，无源探头与示波器的放大器结合使用时，不能提供充分阻塞任何共模电压的共模抑制比(CMRR)。尽管用户可能很想使用这种方法，因为可以使用已有的探头，但它并不能准确地测量电压。 使用商用探头隔离器，隔离示波器的机箱接地。探头的地线不再位于接地电位，可以把探头直接连接到测试点上。探头隔离器是一种有效的解决方案，但它成本高，通常是差分探头的2～5倍。 使用真正差分探头。高压差分探头(如泰克P5205)可以准确安全地测量VDS。

消除电压探头和电流探头之间的时滞

每只电压探头和电流探头都有自己的特性传播延迟。电流探头和电压探头之间的延迟差称为时滞，会导致幅度和定时测量不准确。

必须了解探头的传播延迟对最大峰值功率和面积测量的影响，因为功率是电压和电流的乘积。如果两个相乘的变量没有完美对准，那么会得到不正确的结果。在探头没有正确"校正时滞"时，测量精度会下降，如开关损耗。

消除探头偏置

差分探头一般会有较小的电压偏置。这会影响精度，在继续测量前必须消除这个电压偏置。大多数差分电压探头拥有内置的DC偏置调节控制功能，可以相对简单地消除偏置。

在预热后：

把示波器设置成测量电压波形的平均值。 选择实际测量中将使用的灵敏度(垂直)设置。 在不存在信号的情况下，把平均电平调节到0V(或尽可能接近0V)。

类似的，必须在执行测量前调节电流探头。

在消磁后： 把示波器设置成实际测量中将使用的垂直灵敏度。 在不存在信号的情况下，关闭电流探头。 把