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測試與測量  

用數位螢光示波器對開關電源功率損耗進行精確分析

上網時間: 2003年06月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DSO  digital storage oscilloscope  power consumption  measurement  數位示波器 

隨著電子產品對開關電源需求不斷成長,下一代開關電源的功率損耗測量分析也越來越重要。本文介紹如何將數位螢光示波器和功率測量軟體結合起來,迅速測定開關電源的功率損耗,並輕鬆地完成各項所需的測量和分析任務。

高速GHz級處理器需要新型開關電源(SMPS)提供高電流和低電壓,這給電源設計人員在效率、功率密度、可靠性和成本等方面增加了新的壓力。為了在設計中考慮這些需求,設計人員紛紛採用同步整流技術、主動功率濾波校正和提高開關頻率等新型架構,但這些技術也隨之帶來了一些新的難題,如開關上較高的功率損耗、熱耗散和過度的EMI/EMC等。

從‘關’(導通)至‘開’(切斷)狀態轉換期間,電源會出現較高的功率損耗;而處於‘開’或‘關’狀態之中開關功率損耗則較少,因為通過電源的電流或電源上的電壓很小。電感器和變壓器可隔離輸出電壓並平滑負載電流,但電感器和變壓器也易受開關頻率的影響,因而導致功率耗散和偶爾由於飽和而造成故障。

功率損耗分析

由於開關電源內部消耗的功率決定了電源熱效應的總體效率,所以測定開關裝置和電感器╱變壓器的功率損耗是一項極為重要的測量工作,它可測定功率效率和熱耗散。

設計人員在精確測量和分析各種設備的瞬時功率損耗時,會面臨下面一些困難:

  • 需要測試裝置對功率損耗進行精確測量

  • 如何校正電壓和電流探頭傳導延遲所造成的誤差

  • 如何運算非周期性開關變化的功率損耗

  • 如何分析負載動態變化期間的功率損耗

  • 如何運算電感器或變壓器的磁芯損耗

測試裝置

圖1為開關變換簡化電路圖,MOSFET場效應功率電晶體在40kHz時脈激勵下控制著電流。圖中的MOSFET沒有與AC饋纜線接地或電路輸出接地的連接,即與地隔離,因此無法用示波器進行簡單的接地參考電壓測量。因為若把探頭的接地導線連接在MOSFET任何端子上,都會使該點通過示波器與地短路。

在這種情況下,差分測量是測量MOSFET電壓波形的最好方法。透過差分測量,可測定VDS即MOSFET漏極和源極的電壓。VDS可在電壓之上浮動,電壓範圍為幾十伏至幾百伏,這取決於電源的電壓範圍。可透過下面幾種方法測量VDS:

  1. 懸浮示波器的機箱地線。建議不要使用,因為這樣不安全,對用戶、被測設備和示波器都有危險。

  2. 使用兩個常規單端被動探頭,將其接地導線連接在一起,然後用示波器的通道運算功能進行測量。這種測量法叫做準差分測量,雖然被動探頭可與示波器的放大器結合使用,但缺少避免共模電壓‘共模抑制比’(CMRR)功能。這種設置不能準確測量電壓,不過可使用已有的探頭,不必購買新配件。

  3. 購買一個探頭隔離器隔離示波器機箱接地。探頭接地導線將不再為接地電位,並可將探頭與測試點直接連接。探頭隔離器是一種有效的解決方案,但比較昂貴,其成本是差分探頭的二至五倍。

  4. 在寬頻示波器上使用真正的差分探頭。可透過差分探頭精確地測量VDS,這也是最好的方法。

透過MOSFET進行電流測量時,先將電流探頭夾好,然後微調測量系統,許多差分探頭都裝有內建的直流偏移微調電容器器。關閉被測設備,待示波器和探頭完全預熱後,可設定示波器測量電壓和電流波形的平均值。感應度設置應使用實際測量所用的數值,在沒有訊號的情況下,調整微調電容器器,將每個波形的零位平均值調至0V。這一步驟可大幅減少因測量系統內的靜態電壓和電流而導致的測量誤差。

校正傳導延遲誤差

在開關電源內進行功率損耗測量之前,應先同步電壓和電流訊號,以消除傳導延遲,這一點很重要,該過程稱作‘偏移校正’。傳統方法是先運算電壓和電流訊號之間的時滯,然後再以手動方式通過示波器的偏移校正範圍調整時滯。但這是一個非常冗長乏味的過程。

一個較簡單的方法是採用一種偏移校正夾具並選擇合適的示波器,如TDS5000系列示波器。進行偏移校正時,將差分電壓探頭和電流探頭連接到偏移校正夾具的測試點上,偏移校正夾具由示波器的Auxiliary輸出或Cal-out訊號激勵,如果需要還可用外部訊號源激勵偏移校正夾具。

另外在示波器上還可使用相應的測量軟體,利用其偏移校正能力自動設置示波器並運算由於探接造成的傳導延遲。偏移校正功能隨後可使用示波器偏移校正範圍,對時滯進行自動補償,測試設置準備好後就可開始進行精確測量了。圖2顯示了偏移校正之前和之後的電流和電壓訊號。

非周期性開關訊號功率損耗

如果發射極或漏極有接地,測量動態開關參數則較為簡單,但需在浮動電壓上測量差動電壓。若要精確測定並測量差動開關訊號,最好使用差分探頭,可透過霍爾效應電流探頭查看穿過開關的電流而無需干擾電路本身,此時也可用測量軟體的自動偏移校正功能去除上述傳導延遲。

測量軟體的‘開關損耗’功能可自動運算功率波形,並根據採集的數據測量開關的最小、最大和平均功率損耗,在分析開關功耗時,這些數據非常有用。如圖3所示,數據顯示為Turn on Loss、Turn off Loss和Power Loss。如果知道了接通和斷開時的功率損耗,便可著手解決電壓和電流躍遷,以減少功耗。

在負載變化期間,SMPS的控制迴路將變換開關頻率以驅動輸出負載。請注意,當負載轉換時,開關裝置的功耗也隨之變化,所產生的功率波形將是非周期性的。分析非周期性功率波形是一件很枯燥的任務,不過測量軟體的高級測量功能可自動運算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗,為用戶提供開關電源的相關資訊。

負載動態變化功耗分析

在實際執行環境中,電源裝置會連續產生動態負載變化,所以測量中很重要的一步是要擷取整個負載變化事件,並對開關損耗進行測定,以確保電源裝置不會因這些原因而過載。

目前大部份設計人員都採用具有深度儲存(2MB)和高取樣率的示波器,按要求的解析度擷取事件。但隨之而生的難題,是如何分析在各開關損耗點上所產生的大量數據,這時也可利用測量軟體加以解決,圖4是在開關電源上通過測量軟體獲得的典型功率波形結果。

在圖中可以看到擷取數據中的開關事件次數和開關損耗最大值╱最小值,此時用戶可輸入感興趣的範圍,以此查看所需的開關損耗點。只需在範圍內選擇感興趣的點,軟體便可在深度儲存數據內查找該點,找到後在光標位置周圍放大,以詳細觀察其活動。該功能加上前面提及的開關損耗測量功能可使用戶迅速有效地分析開關裝置的功率耗散情況。

電磁元件的功率損耗

另一種減少功率損耗的方法與磁芯有關。從典型AC/DC和DC/DC線路圖來看,電感器和變壓器是耗散功率的其它組件,不僅會影響功率效率,而且可造成熱耗散。

電感器的測試通常採用LCR計,它使用正弦波作為測試訊號。但在開關電源?,電感器加載的是高壓高電流開關訊號,都不是正弦訊號,因此電源設計人員需監測實際通電的電感器或變壓器特性,此時用LCR計進行的測試可能無法反映實際情況。

觀察磁芯特徵最有效方法是透過B-H曲線,因為B-H曲線能迅速揭示電源內電感器的特性。在電源接通和穩態期間,電感器和變壓器表現出不同的行為特徵。在過去,若想查看和分析B-H特徵,設計人員須先擷取訊號,然後在個人電腦上作進一步的分析,而現在可透過測量軟體直接在示波器上進行B-H分析,即時觀察電感器行為特徵。在做深入分析時,該軟體還可在示波器上提供B-H圖和擷取數據間的光標鏈接(圖5)。

B-H分析能力還可在實際SMPS環境中自動測量功率損耗和電感器值。若需推導電感器或變壓器的磁芯損耗,可在主磁芯及次磁芯上進行功率損耗測量,結果之差就是磁芯的功率損耗(磁芯損耗)。另外在無負載情況下,主磁芯功率損耗是次磁芯包括磁芯損耗在內的總功率損耗,這些測量值可進一步揭示功率耗散區的資訊。

作者:Godfree Coelho

技術行銷經理Tektronix




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