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為了滿足效率和外形尺寸要求，開關模式電源制造商不斷采用新的半導體和電路拓撲，同時還須堅持遵守更高的電源完整性標準。因此，設計人員必須對開關模式波形進行更為復雜的測量，而這樣一來，就會延長測試時間，增加成本。

為了縮短測試時間，測試設備制造商開發了各種硬件和軟件，它們可以配合使用，實現眾多功能和復雜分析的自動化。Teledyne LeCroy 的 HDO4104示波器與功率分析儀軟件就是硬件和軟件結合使用的一個很好例子。本文將介紹可如何配合使用它們來執行關鍵性分析，從而縮短電源的開發和測試時間。

效率、重量、尺寸是驅動創新設計和測試方法發展的動因

開關模式電源轉換，無論是在電源、逆變器、DC-DC 轉換器還是電機控制器中，在特定功率電平下，都具備提高功率效率更高以及減小尺寸和重量的優勢。但是，這些特性也會帶來弊端，包括增加復雜度和提高元器件應力。

為了解決這個問題，制造商開始考慮使用新的半導體類型、更多樣的電路拓撲以及更高的電源完整性標準。不過，這就需要對一些關鍵特性進行詳細的分析，例如：

• 功率損耗

• 安全工作區域 (SOA)

• 控制回路裕量

• 線路電源完整性

• 電源性能

要執行這些類型的分析，就需要提高必要的開發和測試工程專業技術水平，而這又會增加測試時間以及提高最終產品成本。HDO4104 和功率分析儀軟件正是為了簡化這些類型的分析而設計的。

HDO4104 是一款帶觸摸屏的高分辨率 12 位示波器。功率分析儀軟件利用示波器的觸摸屏，創建專用的用戶界面。借助自動測量功能，我們可以結合使用硬件和軟件，從而簡化關鍵電源開關器件測量、控制回路調制分析以及線路電源諧波測試。Teledyne LeCroy 公司還提供各種配件，包括差分放大器、差分探頭、電流探頭和抗扭斜裝置。

使用 HDO4104 進行器件分析

開關模式電源通常使用電源器件的脈沖寬度調制 (PWM) 來控制輸出電壓。電源器件中的電壓和電流會在導通和斷開狀態之間進行切換。波形的移相規律是當電壓為高時，電流為低。因此，開關器件耗散的功率很小：只有在導通和斷開狀態之間轉換時，才會耗散功率（圖 1）。

圖 1： 在使用具有功率分析功能的 Teledyne LeCroy HDO4104 對開關模式電源進行分析的過程中，將會采集功率晶體管的電壓，以及流經晶體管的電流。然后通過這些值來計算和顯示功率耗散。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

上圖顯示了使用功率分析軟件的基本器件測量。該圖底部的對話框顯示了設置及其組織方式，因此可以從左向右進行操作。首次啟用電源分析操作時，用戶選擇信號源。在本例中，我們使用了 Teledyne LeCroy DA1855A差分放大器和 CP030電流探頭。

下一步是選擇四類分析中的一種。隨后，我們再選擇與每種分析類型相關的特定測試。在圖 1 中，我們選擇的分析類型是“Device”（器件），顯示的測試值是器件損耗。我們使用開關器件電壓（頂部的黃色跡線）和流經開關器件的電流（底部的紅色跡線），來計算其功率耗散（底部的黃色跡線）。界面使用了彩色覆蓋層，可自動顯示器件導電和關閉的時間段。

圖形下方的表格列出了工作周期內每個階段的器件功率耗散。這些階段是導通、導電、關閉、關斷狀態。損耗可通過功率或能量損耗予以衡量。所示能量損耗以焦耳為單位。請注意，這一計算乃基于所采集的波形自動進行的。

對話框上還有一些其他選項卡，分別用于輸入設置、區域識別以及功率跡線縮放。輸入設置非常重要，因為它可用于識別示波器使用的電壓和電流探頭。最重要功能是對這些探頭的抗扭斜控制，以便電流和電壓測量保持時間同步。

用戶提示： 抗扭斜對于精確測量功率損耗至關重要。如果關斷狀態的功率損耗接近零，則表示已正確設置抗扭斜。在示例中，抗扭斜設置是正確的，關斷狀態的功率損耗不到其他損耗讀數的千分之一。

繪制 SOA 圖以確認工作裕量

每個開關器件的電壓、電流和功率都有最大限值，這些限值由器件制造商規定并會列于其技術規格書中。要確保電源的可靠性，就不能超過這些限值。安全工作區 (SOA) 圖有助于確認工作裕量，包括電路工作的所有方面。SOA 圖是器件電壓及流經器件的電流的 X-Y 軸圖。圖 2 所示為開關模式電源的功率 FET 的電流和電壓波形圖，以及 30 個電源周期的 SOA 圖。

圖 2： 右側的安全工作區圖記錄了多個電源周期的電流和電壓的軌跡。最大電壓點位于該圖的最右端。最大電流位于頂部。兩個點均與測試遮罩交叉，并以紅色高亮顯示標記。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

SOA 圖的垂直軸表示的是電流，水平軸為電壓。這兩個信號的逐樣本乘積就是器件的瞬時功率耗散。在 SOA 圖左下角的點，電流和電壓均為零。最右側的點就是器件的最大電壓。垂直的極限點就是流經器件的最大電流。

SOA 圖會顯示在測試遮罩內，可通過以下四個點描述：

• 最大電壓

• 最大電流

• 最大電壓時的電流

• 最大電流時的電壓

用戶在圖 2 所示的對話框中輸入這些點，輸入值為制造商規定的被測設備的限值。如果 SOA 圖與測試遮罩交叉，則有一個紅色圓圈突出顯示該樣本。這個圓圈表示超過了遮罩測試容限。圖中顯示了兩個此類交叉的示例。

SOA 圖主要涉及到電壓、電流和功率最大值，而 FET 動態導通電阻 (Rds_(ON)) 的測量則需要對 FET 飽和電壓和通道電流進行詳細測量（圖 3）。

圖 3： FET 動態導通電阻 (Rds_(ON)) 是根據飽和電壓與通道電流的比率計算得出的。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

此測量可能難以進行，因為在存在幾百伏特的電壓擺幅的情況下，示波器只會發現幾伏特的信號電平。

一個好的差分放大器，例如 Teledyne LeCroy 的 DA1855A，可以充當信號調節前置放大器，以便更加簡單準確地進行測量。DA1855A 還具有快速過驅恢復功能。DA1855A 使用了 ÷ 100 探頭，因此可在 100 ns 之內穩定至 100 mV 范圍內，以來自 400 伏特輸入信號的輸入作為參考輸入。這樣一來，MOSFET 的信號就能在屏幕之外過驅，而垂直標度則可用于縮放感興趣的部分。請注意，在示波器輸入上直接嘗試這種技術，通常會導致儀器的前端放大器飽和。

借助 DA1855A 的快速過驅恢復功能，用戶可以過驅信號，而無需擔心跡線回到屏幕上時出現錯誤。因此，用戶能夠獲取飽和電壓的精確細節。

要計算通道導通電阻，需要采集 FET 飽和電壓及其相應的通道電流。在這里，只需應用歐姆定律，即可計算出電阻值。在電源周期的導電階段，功率分析儀軟件可隔離 FET 電壓，并使用正確的電壓和電流段自動執行測量。在圖 3 所示的示例中，結果為 1.1 Ω。

與器件相關的其他測試包括電壓和電流波形的時間變化率（dV/dt 和 dI/dt）。它顯示了器件開啟和關閉時的電壓和電流的時間變化率。

器件測試還可延展到 B-H 曲線分析形式的磁測量。B-H 曲線可顯示變壓器等磁性器件的飽和狀態。它是磁通密度 (B) 與磁場強度 (H) 的曲線圖。

器件分析工具箱可提供與開關器件和重要磁性元器件相關的關鍵問題的完整視圖。下一個測量挑戰是開關模式控制回路。

控制回路分析

開關模式電源轉換器使用反饋來控制輸出電壓或電流，并將輸出保持在可接受限值范圍內。大多數開關模式電源會在其控制回路中使用 PWM。增加驅動脈沖的寬度可提高輸出電壓，減小該寬度則可降低輸出電壓。通過控制回路分析，我們可以近距離研究這種反饋回路，特別是在瞬態條件期間。但是，要分析回路動態，我們必須能夠解調 PWM 信號。

功率分析儀軟件提供了簡單易用的調制分析功能，可以測量每個脈沖的寬度或占空比，并可繪制脈沖寬度或占空比隨時間變化的圖示。該工具極為便利，可以直觀地查看整個控制回路的時域響應，包括控制 IC 中脈沖寬度調制器添加的任何時間常數。為了闡明這種概念，圖 4 顯示了階躍負載變化對開關 FET 的柵極驅動信號的脈沖寬度的影響。

圖 4： 顯示了柵極驅動信號的控制回路對負載的階躍變化的響應。控制回路分析圖顯示了控制器響應，它通過改變柵極驅動信號的占空比來管理負載變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

負載電流，也就是上方網格中的跡線 C2（紅色），具有 500 mA 的正階躍。柵極驅動信號可在跡線 C1（黃色）上采集，并會顯示控制器對負載變化的響應，表現為柵極驅動脈沖的寬度變化。控制分析跡線（藍色）顯示了控制回路對負載電流的階躍變化的動態響應。

中心網格中的跡線是柵極驅動信號的水平縮放。縮放的部分在柵極驅動跡線上突出顯示，目的是顯示它相對于負載變化的位置。用戶可在縮放跡線上非常清晰地查看脈沖寬度變化。

跡線網格下方的測量參數表顯示了各個參數的最新值、平均值、最大值、最小值和標準差，包括柵極驅動信號的頻率周期、寬度和占空比。該表量化描述了負載變化前后的柵極驅動信號變化。在本例中，關鍵值是占空比的最小值、最大值和最新值。最小值是負載變化之前的初始占空比。在這一點，占空比為最小值，僅為 4.8%。在控制分析圖的頂峰，占空比為 15.5%，也就是占空比參數的最大值。采集歷史記錄中的占空比定值就是占空比的值。它是波形中的最新占空比值讀數，其值為 8.9%。

也可使用控制回路分析類型，來跟蹤電源啟動或關斷過程中的 PWM 穩壓器響應。圖 5 顯示了電源的啟動。跡線，從上到下依次是漏源極電壓、漏電流、FET 的柵極驅動電壓以及柵極驅動信號的占空比。底部的跡線顯示了柵極驅動占空比在整個啟動過程中的變化。

圖 5：  監控電源啟動過程中的 PWM 占空比變化。底部的跡線（深藍）顯示了柵極驅動占空比在整個啟動過程中的變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

選擇示波器時，設計人員必須明白，要對電源轉換器啟動進行分析，就需要具有長采集波形存儲器的示波器。本例所示為 10 毫秒的啟動采集，使用了 2.5 兆樣本的采集波形存儲器。Teledyne LeCroy 的 HDO4000 系列示波器能夠提供多達 50 兆樣本的采集波形存儲器。最大采集時間取決于存儲器長度和采樣周期。在要求的最小采樣率下采集相同數據，可為所有四個通道提供 10 秒的采集窗口。

目前我們已經分析了電源轉換器的輸出側。接下來的兩個分析功能主要針對開關模式轉換器的初級側，也就是線路側。

線路電源分析

線路電源分析包括兩種測試功能，即功率測量和諧波分析。功率測量可確定線路電壓和電流。它們還可測量和顯示實際功率、視在功率和無功功率。另外，用戶可以選擇計算并顯示功率因數、相位角和波峰因數。“諧波”測試選項旨在測量線路諧波，并驗證其是否符合 EN 61000-3-2 等國際標準。這種合規性測試極其重要，可以確保不會將過大的諧波功率從開關模式器件回注到電源。

線路諧波分析如圖 6 所示。除了通道 C1 和 C2 中的線路電壓和電流之外，60 Hz 線路電流的前 20 個奇次諧波顯示在頻譜顯示中。藍色覆蓋區顯示了 EN 61000-3-2 標準的合規性級別。跡線下方的表格列出了所有這些諧波，包括電平、頻率以及合規情況。

圖 6： 線路諧波分析使用頻譜分析方法來評估線路電流的諧波含量。根據 EN 61000-3-2 標準，對照內置的測試遮罩，對諧波幅值進行測試。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在介紹完開關器件、控制回路、功率損耗和輸入功率之后，我們要討論的功率分析的最后一個因素是整體性能。

性能分析

性能分析包括兩項重要測試。第一項是器件效率。此項測試可測量被測開關模式轉換器的總輸入和輸出功率，然后使用這些信息來計算器件效率。

第二項性能測試是輸出紋波。這是非常重要的電源完整性測量，因為如果電源總線上的紋波過多，可能會導致時鐘和數據信號的額外抖動（圖 7）。

圖 7： 輸出紋波是非常重要的電源完整性測量。紋波分析可顯示時域和頻域中的輸出紋波。左側跡線即為紋波的時序圖。右側的網格包含紋波的頻譜。最左側表格列出了紋波的頻率最高的十個元器件。 （圖片來源： Digi-Key Electronics）

圖 7 顯示了輸出電流（左上角跡線）和交流耦合電壓（左側中間）。輸出電壓的縮放圖顯示了時域中的擴展紋波視圖。我們可以清晰地看到，此紋波具有很高的周期性。游標測量基本周期為 450 kHz。紋波參數列出了峰峰波紋電壓為 65.2 毫伏。

右側網格中的跡線是紋波電壓的頻譜。左上方的表格列出了幅度最大的十個頻率元器件的頻率和幅度。它們還在頻譜顯示上進行了標記。了解紋波的頻率成分，有助于用戶確定可能的信號源。

結論

由于各種應用要求器件具有更高的效率、更小的尺寸以及更低的成本，因此功率測量變得日益復雜。正如本文所述，Teledyne LeCroy 的 HDO4104 示波器與功率分析儀軟件配合使用，可以顯著簡化測試，縮短測試時間。該示波器提供了專用的用戶界面和自動測量功能，因此可以簡化電源開關器件的關鍵測量、PWM 控制回路分析、線路電源效率和諧波測試。此外，Teledyne LeCroy 還提供眾多探測解決方案，可輕松快速地設置電壓和電流。

使用適當的設備和軟件，現在就可以輕而易舉地進行功率測量。