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使用示波器進行電源供應器頻率響應量測

上網時間: 2016年01月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:示波器  電源供應器  頻率響應  SMPS  DC/DC轉換器 

作者:Johnnie Hancock,是德科技示波器產品事業部產品經理

測試並評估交換式電源供應器(SMPS)與線性DC/DC轉換器的效能時,必須廣泛進行與電源相關的一系列特定量測。其中,常見的量測項目包括電源品質——真實功率、視在功率(apparent power)、無效功率(reactive power)、功率係數與波峰因數等;電流諧波、突波電流、切換損耗、輸出漣波與效率等。

多年來,電源供應器設計工程師均使用標準的桌上型示波器,以手動方式進行量測。但現在許多示波器廠商已提供授權的電源量測選項,可自動執行許多必要的量測。配備所需選項的示波器可大幅縮減測試時間,有助於讓產品儘快上市。

例如,在所需進行的電源供應器特性評估量測清單中,如果有一個項目為測定無效功率(Q),那麼使用標準示波器手動進行這項量測是極為耗時的任務。如果改用配備電源量測選項的示波器,就能省下可觀的時間。圖1顯示使用配備特殊電源選項的示波器自動執行輸入交流(AC)電源品質量測的範例。


圖1:使用配備授權電源量測選項的示波器,實現電源品質量測自動化

頻率響應分析

儘管示波器可執行各式各樣的時域電源量測(例如前述的量測作業),但為了全面分析DC/DC轉換器及濾波器設計特性的穩定度,執行頻域量測也極為重要。必要的頻域量測項目包括電源供應器拒斥比(PSRR)以及控制迴路響應——波德圖(Bode)。執行這一類的頻域量測通常使用低頻網路分析儀,而非示波器。

但在無法使用低頻網路分析儀時,有些工程師便會採取‘強制’法,亦即使用示波器及外部函數產生器,進行PSRR與波德圖等頻率響應量測。此時工程師必須以多種頻率設定進行多次輸入與輸出電壓量測,然後以各種量測設定來計算對數比。然後必須以手動方式繪製測得與算出的結果,或是將結果輸入PC軟體應用程式中以便進行繪圖。但最終的量測結果在準確性及所需的動態範圍方面仍有問題。大多數的桌上型示波器僅限於支援最高約50dB的動態範圍,遠不及使用網路分析儀所能獲得的結果。

如果示波器中內建波形產生器,並配備支援頻率響應量測的電源量測選項,便可自動執行PSRR及控制迴路響應量測。

電源供應拒斥比(PSRR)

圖2為PSRR量測的測試配置圖,以便量測線性穩壓器或低壓降穩壓器(LDO)等供電裝置,在拒斥待測物DC輸入端注入之頻率成分的表現。換言之,在DC輸入端注入的干擾訊號,有多少會抵達調節過的DC輸出端。


圖2:LDO的PSRR測試方塊圖

為了執行PSRR測試,必須在DC輸入端注入正弦波,然後從低頻掃描至高頻。此量測必須使用如PicoTest J2120A Line Injector等DC+AC網路求和裝置。該量測系統可測量調變輸入與輸出AC電壓準位,然後為掃描頻段內的每一頻率計算拒斥比20Log(Vin/Vout)。有些工程師認為此公式應為20Log(Vout/Vin)。但此為增益(A)的公式,而非拒斥。拒斥為增益的倒數。

透過使用內建的波形產生器與電源量測選項,示波器首度得以進行此頻率響應量測。

儘管標準的10:1被動探棒可用於探測調變的DC輸入,但 1:1的被動探棒必須用於輸出。假設待測LDO有許多拒斥,輸出的振幅將會非常小(數毫伏以下)。此外,為DC輸出測試點上的探棒正確接地,也是關鍵所在。若使用1:1被動探棒隨附的標準接地線,它將會作為天線使用,並吸取空中大量的雜訊,因而減少量測的動態範圍。短彈簧夾鉗接地轉接器(通常為探棒隨附的配件)或最好是銲錫的探棒插槽,將可提供最佳的低雜訊訊號真實度。


圖3:使用雙通道示波器與探棒量測DC/DC轉換器

(下一頁繼續:控制迴路響應)


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