使用DPO示波器测量开关电源中的功耗

　电源需求的变化推动了开关电源系统的体系结构变化，能够测量和分析下一代开关式电源 (SMPS)的功耗至关重要。支持高得多的数据速度及千兆赫级处理器的新型电源，需要更大的电流和更低的电压，在效率、功率密度、可靠性和成本方面给电源设计人员带来了新的压力。为满足这些需求，设计人员正在采用新的结构，其中包括同步整流器、有源功率系数校正和更高的开关频率。这些技术也带来了新的挑战，如开关设备上的高功耗、温度上升和EMI/EMC过高等影响。

　　了解这些影响的一个关键参数是在开关过程中发生的功率损耗。在从“off”状态转换到“on”状态的过程中，电源会发生更高的功率损耗。而开关设备处于“on”或“off”状态时的功率损耗较低，因为流过设备的电流或加在设备上的电压相当小。

　　与开关设备有关的电感器和变压器会平滑负荷电流隔离输出电压。这些电感器和变压器还受到开关频率的影响，会产生一定功耗，偶尔会由于饱和而发生故障。

　　由于开关电源中消耗的功率决定着电源的整体效率及热量效应，因此测量开关设备及电感器和变压器上的功率损耗具有非常重要的意义，特别是在指明功率效率和温度上升方面。因此，工程师需要测量和分析设备能够在变化的负荷条件下迅速精确地测量和分析瞬时功率损耗。

　　需要精确测量和分析不同设备瞬时功率损耗的设计人员面临的挑战如下：
　　● 如何组建测试设备，精确测量功率损耗
　　● 校正电压探头和电流探头中的传输延迟引起的误差
　　● 计算非周期性的开关周期中的功率损耗
　　● 在负荷动态变化时分析功率损耗
　　● 计算电感器或变压器的核心损耗

　　幸运的是，市场上已经出现了完善的功率分析软件，这种软件在最新一代数字荧光示波器上运行，与示波器用户界面拥有共同的“感观”，提供了直观的导航能力和简便易用性。这种功率测量和分析应用软件可以帮助开关式电源设计人员在开关设备和磁性器件上精确执行功率损耗分析，并执行详细的输入/输出分析。这些软件的关键特点包括：“Hi-Power Finder”辅助工具 (下面更详细地进行了介绍)、完善的报告生成功能、波纹查看程序、能够进行磁性测量及迅速高效的偏移校正功能。

　　精确测量功率损耗的测试设置

　　图1是开关式电源简化的电路图。由40 kHz 时钟驱动的MOSFET控制着电流。图1中的MOSFET没有连接到AC市电接地或电路输出接地上，因此使用示波器进行简单的参考接地电压测量是不可能的，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该点短路。

　　进行差分测量是测量MOSFET电压波形的最佳途径。通过差分测量，可以测量漏极到源极电压 (V_DS)，其可能会位于几十伏到几百伏的电压顶部，具体取决于电源范围。

　　有几种方法可以测量V_DS：
　　1. 浮动示波器的机箱接地。不建议采用这种方法，因为其安全性非常差，容易对用户造成人身伤害，损坏被测设备和示波器。
　　2. 使用两个传统无源探头，其地线相互连接，同时使用示波器的通道数学运算功能。这种测量称为“准差分”方法。但是，与示波器放大器结合使用的无源探头缺乏足够的共模抑制比(CMRR)来充分阻塞任何共模电压。这种设置不能充分测量电压，但可以使用现有探头。
　　3. 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，探头可以直接连接到测试点上。探头隔离器是一种有效的解决方案，但成本较高，其成本是差分探头的2~5倍。
　　4. 在宽带示波器上使用真正的差分探头，精确测量V_DS。

　　为测量经过MOSFET的电流，用户先夹上电流探头，然后微调测量系统。许多差分探头拥有内置DC偏置微调器。通过关闭被测设备，全面“预热”示波器和探头，设置示波器测量电压和电流波形的平均值，并采用实际测量中将使用的灵敏度设置。在不存在信号时，调节微调器把每个波形的平均值清零到0V。这最大限度地降低了测量系统中的静止电压和电流导致的测量误差。

　　校正电压探头和电流探头传输延迟引起的错误

　　在开关式电源中进行任何功率损耗测量前，非常重要的一点是同步电压信号和电流信号，消除传输延迟，这一过程称为“偏移校正”。传统方法要求计算电压信号和电流信号之间的偏移，然后使用示波器的偏移校正范围手动调节偏移。但是，这种方法耗时非常长。

　　但是，通过使用配备偏移校正夹具和功率测量软件的高带宽数字荧光示波器，可以大大简化这一过程。为校正偏移，差分电压探头和电流探头可以连接到偏移校正夹具的测试点上。偏移校正夹具通过示波器的辅助输出或校准输出信号驱动。在需要时，偏移校正夹具也可以通过 外部来源驱动。功率分析软件的偏移校正功能将自动设置示波器，计算探测导致的传输延迟。然后，偏移校正功能使用示波器的偏移校正范围，针对偏移自动进行偏置。现在，测试设置准备就绪，可以进行精确测量。图2和图3说明了偏移校正前和偏移校正后的电流信号和电压信号。

　　计算非周期开关信号上的功率损耗

　　如果发射极或漏极接地，那么测量动态开关参数非常简单。但是，在浮动电压下，必须测量差分电压。为精确检定和测量差分开关信号，要求一个差分探头。霍尔效应电流探头允许在不中断电路的情况下，查看流经开关设备的电流。可以使用功率分析软件的自动偏移校正功能，消除探头引起的传输延迟。

　　对采集的数据测量开关设备的最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗，软件中的“开关损耗”功能将自动计算功率波形。然后，这些数据表示为开通损耗、截止损耗和功率损耗，如图4所示。这为分析设备上的功耗提供了有用的数据。知道开机和关机的功率损耗后，用户可以调节电压和电流转换，降低功率损耗。

　　在负荷变化期间，开关电源的控制环路会改变开关频率，驱动输出负荷。图5显示了开关负荷时的功率波形。注意，在负荷变化时，开关设备上的功率损耗也会变化。得到的功率波形具有非周期特点。分析非周期功率波形可能是一件繁琐的任务。但是，功率分析软件的高级测量功能会自动计算最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗，提供与开关设备有关的更多信息。

　　在负荷动态变化时分析功率损耗

　　在实际环境中，电源一直面临着动态负荷。图5显示了开关时发生的功率损耗在负荷变化期间也会变化。捕获整个负荷变化事件、检定开关损耗至关重要，以保证其不会达到设备极限。

　　今天，大多数设计人员使用拥有深内存(2 Mbyte)和高取样速率的示波器，以满足要求的分辨率捕获事件。但是，这种方法带来了一个挑战，需要从开关损耗点分析数量庞大的数据。功率分析软件的“HiPower Finder”消除了分析深内存数据的挑战，图6是典型结果。图7则更进一步显示了采集的数据中的开关事件数量及最大开关损耗和最小开关损耗。然后，通过输入感兴趣的某个范围，可以查看希望的开关损耗点。用户只需在范围内选择感兴趣的点，然后让“HiPower Finder”在深内存数据中定位这个点。光标将连接请求的区域。在定位点时，可以使用软件，缩放光标位置周围的区域，更详细地查看活动情况。这与前面提到的开关损耗功能相结合，可以迅速高效地分析开关设备的功耗。

　　计算磁性器件的功率损耗

　　降低功耗的另一种方式来自磁芯领域。从典型的AC/DC和DC/DC电路图中，电感器和变压器也会消耗功率，从而会影响功率效率，导致温度上升。

　　一般来说，会使用LCR仪表测试电感器，LCR仪表会生成正弦波测试信号。在开关式电源中，电感器会传送高电压、高电流开关信号，这些信号不是正弦曲线。结果，电源设计人员必需监测实地电源中的电感器或变压器行为。使用LCR仪表进行测试可能并能不反映实际环境情况。

　　监测磁芯行为的最有效方法是使用B-H曲线，它会迅速揭示电源中的电感器行为。功率分析软件可以在示波器上快速执行B-H分析，而不需昂贵的专用工具。

　　电感器和变压器在电源开机过程中及在稳定状态下拥有不同的行为。在过去，为了查看和分析B-H特点，设计人员必须采集信号，在PC上进一步进行分析。通过示波器软件，现在可以在示波器软件上直接执行B-H分析，瞬时查看电感器行为，如图8所示。

　　这种磁性分析功能还在实际电源环境中自动测量功率损耗和电感值。为推导出电感器或变压器上的磁损耗，用户只需测量原边和副边上的功率损耗。这些结果的差异在于磁芯上的功率损耗。此外，在无负荷条件下，主设备上的功率损耗是副边上的总功率损耗，包括磁芯损耗。这些测量可以揭示与功耗领域有关的信息。

　　总结

　　本文中介绍了功率测量和分析软件的主要特点，包括能够测量开关设备上的功率损耗、“HiPower Finder”功能和B-H分析，为在开关式电源上进行快速测量提供了工具。在使用数字荧光示波器时，该软件允许用户迅速定位感兴趣的功耗区域，在动态情况下查看功耗的行为特点。