用数字荧光示波器对功率损耗进行高精度分析

随着许多行业对开关电源需求的不断增长，测量和分析下一代开关电源的功率损耗就显得至关重要，本文介绍了如何利用TDS500O系列数字荧光示波器，加上TDSPWR2功率测量软件进行功率损耗分析。

新型的开关电源(SMPS，SwitchModePowerSupply)需要给具有数据传输速度高和GHz级处理器提供较低的电压合很高的电流，这给电源设计人员在电源效率、功率密度、可靠性和成本几方面增加了无形的新压力。为了在设计中考虑到这些需求，设计人员采用了同步整流技术、有源功率因数校正和提高开关频率等新结构。这些技术也随之带来了某些更高的挑战，如:开关器件上较高的功率损耗和过度的EMI/EMC。

由于开关式电源耗散的功率决定了电源的效率及其热效应，所以测定开关器件和电感器/变压器的功率损耗是一项极为重要的测量工作。设计人员在精确测量和分析各种设备的瞬时功率损耗时，所面临的挑战有下列几个方面:精确测量功率损耗所需的测试装置；校正电压和电流探头传导延迟所造成的误差；计算非周期性开关变化的功率损耗图；分析负载动态变化期间的功率损耗；计算电感器或变压器的磁芯损耗。

1 精确测量功率损耗所需的测试装置

图1所示为开关变换的简化电路。图1中的MOSFET没有与AC馈电线接地或电路输出接地连接，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的任何端子上，都会使该点通过示波器与接地短路。



                                 图1 开关内的电路示意图

在这种情况下，差分测量是测量MOSFET电压波形的最好方法。差分测量可测定漏极-源极电压(VDS)，即MOSFET的漏极端子和源极端子上的电压。VDS可在电压之上浮动，电压范围可为几十伏至几百伏，这取决于电源的电压范围。这里可通过以下几种方法测量VDS:

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

*使用两个常规的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迸行测量。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，但缺少可适当阻止任何共模电压的共模抑制比(CMRR)功能，这种设置不能准确测量电压，但可使用已有的探头。

*使用市场上可以买到的探头隔离器隔离示波器机箱接地。探头的接地导线将不再为接地电位，并可将探头与一个测试点直接连接。探头隔离器是一种有效的解决方案，但较为昂贯，其成本是差分探头的2～5倍。

*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，便可设定示波器测量电压和电流波形的平均值。应使用实际测量所用的数值设置敏感度。在没有信号的情况下，调整微调电容器，将每一波形的零位平均值调至0V，这一步骤可最大限度地减少因测量系统内的静态电压和电流而导致的测量误差。

2 校正因电压和电流探头传导延迟而造成的误差

在开关式电源内进行任何功率损耗测量之前，应先同步电压和电流信号，以消除传导延迟，这一点很重要。这一过程被称作“偏移校正”。传统的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。

一种较简单的方法是采用一种偏移校正夹具和一部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。

TDSPWR2软件的偏移校正能力，可自动设置示波器并计算传导延迟。偏移校正功能随后便可使用示波器的偏移校正范围,并对时滞进行自动补偿。至此，测试设置现已准备就绪，可开始进行精确测量了。图2和图3所示为偏移校正之前和之后的电流和电压信号。



                                      图2 电压和电流信号的传导延迟



     图3 图2 所示信号在用TDSPWR2功率测量的分析软件“自动偏移校正”后的情形

3 计算非周期性开关