用示波器进行开关电源测量的实用技巧

[{"insert":"在理想情况下，每个电源都应该按照为它设计的数学模型那样工作。但现实的情况却可能出现元器件有缺陷，负载变化，供电电源失真，甚至是放置环境的不同也会对结果造成影响，所以设计人员需要借助示波器进行电源测量。示波器的选择不仅要考虑合适的带宽、采样速率和足够的通道等因素，还要兼顾到采购成本。那么该如何选择一款适合自己的示波器，以及在开关电源中都有哪些实用的测量技巧呢？"},{"insert":"\n","attributes":{"align":"justify"}},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202208/4979739f4ee0955c.png"}},{"insert":"\n","attributes":{"align":"center"}},{"insert":"在使用示波器进行实际测试时，带宽、衰减比、浮地测量、共模抑制比、电流测量等如果测试不准确，将产生误差，这会对测量结果产生很大影响。为了避免测试误差，R&S的测试专家将为您一一解析以上参数，确保测试准确性。"},{"insert":"\n","attributes":{"align":"justify"}},{"insert":"\n\n"},{"insert":"带宽","attributes":{"bold":true}},{"insert":"\n\n带宽是大多数工程师在选择一款示波器时首先考虑的参数。通常认为应该选带宽尽量低的示波器，满足使用需求即可。但是随着第三代半导体技术的发展，高宽带示波器的需求明显变多了。那么在设计开关电源时，到底选择多大带宽的示波器进行测量合适呢？\n\n由于电源的开关频率不太大，如果电源输出是方波而不是正弦波，那么对示波器的要求就不能从开关频率上来定义，而是要从上升沿时间上来定义。因为不同的频率响应曲线得到的数据不一样，比如高斯响应的上升沿时间为0.35/BW，平坦响应的上升沿时间为0.4-0.45/BW。所以为了保证信号的高保真度，要尽量保证信号带宽在示波器的带宽之内。根据上升时间实际值与测试值之间的关系公式可以看出，越大带宽的示波器，误差越小。考虑包括探头在内的测试系统，带宽越高的示波器和探头误差越小。虽然上升沿时间比较快的信号，对示波器和探头的要求比较高，但是在实际应用时，还要根据可接受的误差精度，选择合适带宽的示波器和探头。"},{"insert":"\n","attributes":{"align":"justify"}},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202208/9b03759af5eca5d4.png"}},{"insert":"\n","attributes":{"align":"center"}},{"insert":"\n"},{"insert":"衰减比与噪声","attributes":{"bold":true}},{"insert":"\n\n示波器对输入信号电压有要求。如果被测信号的电压大于示波器允许的最大电压输入，那么必须先用探头对输入信号进行衰减，之后再送入示波器。如使用RTM3004示波器时，可以选择探头通道100μ-10K之间任意的衰减比，使用范围非常广。而且噪声只有670μV左右，适合精准测量。\n\t\n\n"},{"insert":"浮地测量","attributes":{"bold":true}},{"insert":"\n\n出于对成本和安全的考虑，浮地测量一直是工程师的痛点。在测量LLC电路的下管驱动时，如果用示波器直接测，有可能出现漏电和短路的情况，通常有八种处理方法。\n\n1、是剪掉AC电源线地线，但是有安全隐患。\n\n2、是示波器加隔离变压器供电，但是有安全隐患。\n\n3、电源加隔离变压器供电，但是会额外占用一个通道。\n\n4、A、B轮流测试，但是没法判断死区。\n\n5、A采用普通无源探头、B采用差分探头，但是信号上升沿斜率可能不一样，且没法判断死区。\n\n6、采用多根无源探头（如果使用RTM系列示波器需要再采用MATH运算，如果使用RTE RTO系列示波器不需要额外再做运算），但是会额外占用一个通道。\n\n7、采用RTH系列隔离通道示波器，不用做运算，不会占用通道，推荐使用。\n"},{"insert":"\n","attributes":{"align":"justify"}},{"insert":"8、采用两根差分探头，不用做运算，不会占用通道，推荐使用。"},{"insert":"\n","attributes":{"align":"justify"}},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202208/3b8b67ccf563161e.png"}},{"insert":"\n","attributes":{"align":"center"}},{"insert":"\n"},{"insert":"共模抑制比","attributes":{"bold":true}},{"insert":"\n\n已知带宽越大，衰减的倍率越大。在理想状态下，同时测量上下管时，示波器上的上下管波形是一致的。而实际的波形中，由于探头的共模抑制比不够，会导致上下管的开关节点出现毛刺，非常影响测量。这里使用的是RT-ZHD16差分探头，它的共模抑制比在100K和1G时均为60dB左右，效果非常好。\n\n\n"},{"insert":"电流测量","attributes":{"bold":true}},{"insert":"\n\t \n在很多时候，工程师在测量信号电压的同时，还需要查看电流波形。比如查看LLC电路的谐振电流的工作状态是否正常，这时候就需要借助电流探头进行电流测量。\n\t\n\n"},{"insert":"实测演示","attributes":{"bold":true}},{"insert":"\n\t \n在实测部分，使用5G Sa/s，10-bit ADC的RTM3004示波器，RT-ZHD16差分探头，RT-ZC20电流探头进行LLC半桥电路的电流和电压测试。连接测试电路和测试仪器，示波器显示出上管Vds电压波形存在正常的轻微抖动。由于RTM3004示波器具有超高的直流偏置的功能，特别是分析直流上叠加的纹波时优势明显。因此放大波形，可看到波形不是完全平坦的，而是带有尖峰和圆弧。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202208/1ffa5fcd8da081bb.png"}},{"insert":"\n","attributes":{"align":"center"}},{"insert":"在LLC典型电路下，可以看到上管VDS信号和驱动信号的波形都非常干净，说明RTM3004示波器的共模抑制比很好。在放大谐振电流波形之后，可以看到波形有正常的抖动，使用示波器的精确触发功能，在谐振电流峰值触发波形，得到相对静止的波形。RTM3004示波器的触发灵敏度非常高，可以在临界点显示相对静止的波形，并捕捉到异常波形，为工程师正确调整电路提供参考。同时显示Vds和谐振电流的波形，可以看到关断瞬间谐振电流的波形。"},{"insert":"\n","attributes":{"align":"justify"}},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202208/e405c0356b01ea30.png"}},{"insert":"\n","attributes":{"align":"center"}},{"insert":"RTM3000 整合10位 ADC、10倍的存储深度和 10.1\" 触摸屏以及适用于所有R&S探头的探头接口，是开关电源应用测试的理想之选。（以上测试数据来源：电源网深圳实验室）\n"}]