泰克MSO示波器与功率分析软件,轻松搞定关键电源测量(上篇)

2024-03-22

引言

当今电源设计人员面临着越来越大的压力,需要实现90%、甚至更高的功率转换效率。推动这种发展趋势的因素,包括延长便携式电子器件中的电池续航时间、物联网以及对功耗更低的“更加绿色的”产品的需求。许多设计正在使用GaN或SiC开关器件代替硅FETs和IGBTs。一如既往,产品上市时间压力正不断推动着测试速度加快(同时还要非常准确)。

4系列B MSO提供了FlexChannel输入及新型图形用户界面,设计人员可以一次测试多个测试点,从而加快测试速度。高级功率测量和分析选项 (4/5/6-PWR)为关键功率测量自动完成设置过程,并提供了多种工具,根据电源设计指标和标准评估测试结果。

本应用指南将概括介绍怎样使用泰克4系列B MSO示波器及4/5/6-PWR功率分析软件进行重要的电源测量

准备电源测量

为进行准确测量,必须正确设置功率测量系统,精确地捕获波形,进行分析和调试。要考虑的重要课题有:

消除电压探头和电流探头之间的时延

消除探头偏置

对电流探头消磁

消除电压探头和电流探头之间的时延

在使用示波器进行功率测量时,必需测量经过被测器件的电压及流经被测器件的电流。这项任务要求两只单独的探头:一只电压探头(通常是高压差分探头)和一只电流探头。每只电压探头和电流探头都有自己的传播延迟特性,这些波形中产生的边沿可能并没有对准。电流探头和电压探头之间的延迟差称为时延,会导致幅度和定时测量不准确。

由于时延产生了定时延迟,因此它会导致定时差、相位和功率系数测量不准确。许多测量系统可以“自动校准”仪器内部的延迟,但在系统中增加探头时,必须补偿探头放大器和电缆长度的差异。

泰克4系列B MSO可以补偿从探头尖端到测量系统的延迟,确保进行最准确的定时测量。您可以手动校正探头时延,把探头连接到相同的波形源,然后把延迟加到较快信号的信号路径中,这样就可以在时间上对准信号,而不必以物理方式在较短的探头电缆中增加电缆长度。

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图1. 在调节前对差分电压探头和电流探头之间的时延进行静态补偿。这些探头有机载内存,存储着标称传播延迟。

4系列B MSO还提供了单键“静态”时延校正功能。图1是两个TekVPI功率探头之间的时延实例。示波器从探头中读取标称传播延迟,计算出两只探头之间的延迟差约为1.48ns。您只需按OK,Deskew按钮就会调节信号之间的相对定时。

图2显示了图1中使用的相同的测试设置在运行静态时延校正功能之后的结果。如果使用的是非泰克探头,您需要手动校正电压和电流波形时延,配置电流探头设置。

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图2. 调节后静态时延补偿。注意根据探头中存储的传播延迟,已经增加了-1.48 ns的时延校正。

消除探头偏置

差分探头可能有很小的电压偏置。这个偏置可能会影响精度,应先消除这个偏置后再继续测量。大多数差分电压探头有内置DC偏置调节控制,因此去除偏置相对简单。

类似的,必需先调节电流探头上的偏置,然后才能进行测量。通过把DC电流清零到0A的中位数值或尽可能接近0A,可以调节电流探头偏置。TekVPI探头,如TCP0030AAC/DC电流探头,内置了自动 Degauss / AutoZero(消磁 / 自动清零)程序,只需按探头补偿盒上的按钮,就可以完成操作。

对电流探头消磁

消磁功能会消除变压器磁芯中任何残留的DC流量,这可能是由大量的输入电流引起的。这种残余流量会导致偏置误差,应消除这种误差,提高测量的准确度。

泰克TekVPI电流探头提供了一个消磁警告指示灯,会警告用户执行消磁操作。消磁警告指示灯非常重要,因为电流探头会随着时间推移产生漂移,可能会明显影响测量。

许多电源拓扑要求在存在大的共模信号时测量小的差分电压。例如,半桥开关电路上管的VGS和VDS通常会相对于地电平上下移动几百或几千伏的电压。IsoVuTM隔离测量系统可以与4系列B MSO结合使用,提供超高共模抑制功能。

解决宽禁带测试挑战

直到目前,半桥开关电路上管的开关测量几乎都是不可能实现的。任何相对于开关节点的测量,包括高侧VDS和经过电流并联装置的电压,都会遭受明显共模电压信号冲击差分信号导致的失真。这个问题在宽禁带器件中变得更加严重,比如GaN和SiC晶体管,因为开关频率提高了,必须优化全新设计。IsoVu探头优异的共模抑制功能以及高级功率测量和分析自动化功能,为优化最新GaN和SiC设计提供了有效的解决方案。

输入分析

工频测量表征设计对输入变化、设计吸收的电流和功率以及设计的工频电流失真的反应。某些测量如功耗是关键指标。其他测量如功率因数和谐波,可能会有法规限制。

功率质量测量

在4/5/6-PWR中,功率质量测量是一套标准功率测量。它们通常在AC线路输入上执行,但也可以应用到器件的AC输出上,如功率逆电器。这些测量包括:

频率

RMS电压和电流

波峰因数(电压和电流)

有功率、无功功率和视在功率

功率因数和相位

进行测量

通过使用差分探头测量系统的工频电压,使用电流探头测量系统的工频电流,可以简便地进行功率质量测量。也可以使用相同的设置,来测量电流谐波。

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图5. 功率质量测量绘制了丰富的AC线路图画。上方波形是工频电压,电流是红色波形,瞬时功率是橙色波形。结果标签(右上方)显示了工频特点摘要,上方区域的结果表可以激活,提供更详细的数据和统计信息。

测量结果

频率:电压波形的频率,单位为Hz

VRMS:显示的电压波形的均方根值

IRMS:显示的电流波形的均方根值

电压波峰因数:电压的峰值幅度除以电压的RMS值

电流波峰因数:电流的峰值幅度除以电流的RMS值

有功率:测量的系统的实数功率,单位为瓦特(W)

无功功率:临时存储在电感或电容单元中的虚数功率,用Volt-Amperes-Reactive(VAR)表示

视在功率:测量的复合功率的绝对值,单位为伏安(VA)

功率因数:有功率与视在功率之比

相位:有功率与视在功率之间的角度,单位为度

谐波

当非线性器件使流入电路的电流失真时,就会发生电流谐波。线性电路只在基础工频吸收电流,但非线性电路在基础频率的倍数上吸收电流,每个谐波有不同的幅度和相位。

在电流与谐波流经配电系统的阻抗时,会产生电压失真。热量会在线缆和变压器中积聚,在连接到电网的开关电源数量提高时,电网上的谐波失真也会提高。

因此,业内已经设计了多项标准,限制非线性负载对功率质量的影响。业内已经开发了IEC61000-3-2和MIL-STD-1399之类的标准,来限制谐波。

IEC61000-3-2标准限制的是注入市电电源系统的电流谐波。它适用于每一相输入电流最高16A、连接到公共低压配电系统(230V AC或415V AC三相)的所有电气和电子设备。该标准进一步分成A级(平衡三相设备)、B级(便携式工具)、C级(照明设备和调光装置)和 D级(拥有独特的电流波形要求的设备)。

MIL-STD-1399对设备(负载)提出了技术规范和测试要求,以保持兼容舰载AC功率系统,从计算机和通信设备直到空调

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图6. 设置基本电流谐波分析只要求几个简单的设置。这个实例显示了针对行业标准进行预一致性检查的设置

4/5/6-PWR分析应用可以简便地测量电流谐波。它可以以表格方式和图形方式显示测量结果。设计人员还可以在认证之前,迅速比较器件性能与满足的标准,因为认证通常会耗费大量时间,而且成本非常高。在示波器中提供测量功能,不仅可以加快调试速度,还可以帮助避免最后再为了满足法规要求而改变设计。

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图7. 使用4/5/6-PWR获得的谐波结果。右下方可以看到非正弦电流波形及谐波。谐波条形图用分贝显示了谐波内容。奇数谐波最明显,但完全落在IEC 61000-3-2极限范围内。

进行测量

使用差分电压探头测量工频电压,使用电流探头测量工频电流。

如果您想比较设计中的谐波与IEC 61000-3-2标准中的极限,那么必须确定工频,必需选择等级类型。在C级和D级标准中,还需要把输入功率、功率因数和基础电流输入到系统中。分析软件包将加载预先确定的极限表,对比测得谐波与极限,然后将显示预一致性测试结果,如图8所示。

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图8. 可以以图形方式显示最多400个谐波。表中显示了IEC 61000-3-2预一致性测试结果。根据设置,分析软件包将加载预先确定的极限表,对比每个测得的谐波与极限。

测量结果

Results标签显示了选择的谐波标准、基础谐波和三阶谐波幅度、THD-F、THD-R、RMS值和通过/未通过状态。

可以选择各个谐波,测量值在结果标签、柱状图和结果表之间链接起来。

谐波表包括:

- 选择的谐波标准

- 谐波数和频率

- 度(RMS):谐波测得的RMS幅度值,单位为dBμA或A

- 幅度(%):相对于基础频率的谐波测得幅度

- 相位:相对于频率基准的谐波相位,单位为度

- 极限:指定标准规定的谐波极限

- :预一致性测试通过/失败状态

- 裕量:实测值与极限之差

电流谐波可以用分贝微安(dBμA)或安培(A)为单位显示

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图9. 对通道7上的电流执行自动浪涌电流测量和电容测量

浪涌电流和输入电容

通常,浪涌电流会在首次通电时出现。电源转换器在其输入电容充电时会汲取相对较高的电流。初始浪涌之后,除非发生其他系统变化,否则电流将维持在稳定状态。浪涌电流测量可提供有关电源设计的重要信息,包括保护器件的尺寸。在极端情况下,浪涌电流会导致交流线路电压骤降。

此功率分析软件支持自动浪涌测量。功率分析软件会识别浪涌区域并在显示器上标注,最后计算该区域内的浪涌电流。

由于示波器会对电压和电流波形进行数字化处理,因此软件还可通过积分电流找到电荷,然后使用等式 c=q/v 测量系统的输入电容。除了分析电源启动的特性之外,动态电容测量还有助于分析切换装置中的栅极充电行为。与其他电容测量技术相比,我们使用即时电流和电压波形测量工作条件下的总电容。

浪涌电流和输入电容直接相关,且两者均可提供重要的详细信息,让工程师充分了解电源转换器的启动特性。

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图10. 电源接通时会发生浪涌。电流波形在达到稳定状态之前呈现出逐渐减小的峰值。

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图11. 使用4/5/6-PWR进行开关损耗测量。把瞬时功率的电流和电压相乘,可以得到上方轨迹(橙色)。损耗测量在瞬时功率波

形上执行。每个损耗区域都用带颜色的标记标出,标记与测量标签对应。底部波形是开关上的电压和流经开关的电流。

开关分析

电源开关阶段的测量确认转换器是否正确运行,量化损耗来源,确认器件在正常范围内工作。

开关损耗测量

在各种物理电容器和寄生电容器充电时,会发生开通损耗,电感器会产生磁场,会发生相关的瞬态电阻损耗。同样,在开关电源关断时,即使市电已经拔下,仍会有能量放电并与各种元件交互,因此也会发生损耗。

进行测量

为了进行开关损耗测量,示波器必须测量经过开关上的电压和流经器件的电流。开关损耗结果如图11所示。

测量结果

Ton:每个周期开通功率和能量损耗值的均值

Toff:每个周期关断功率和能量损耗值

Total:每个周期总平均功率损耗和平均能量值

左右箭头按钮可以遍历开关周期,放大查看问题区域

还可以在结果表中查看测量数据。这个表格会显示所有开关周期的累积测量结果,迅速进行复核。

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图12. Rds(on)测量 Ch1(黄色)波形是FET V DS电压,Ch2(青色)波形是FET电流。波形会在相位上呈现反相的状态,以正确指示导通区域中的电流更大。“数学”功能将会绘制RDSon值,且结果标签会显示根据数学波形计算的最小RDSon值。在图示这种情况下为1.13mOhms。

Rds(on)

当开关器件处于导通状态并正在传导电流时,此测量可分析漏极至源极电阻特性。动态导通电阻是指器件导通时两端的电压与流经装置的电流之比。您可以使用游标选通功能准确地测量RDS(on),这是导致开关器件损耗的重要原因。

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图13. 晶体管的安全工作区(SOA)图。

安全工作区

开关晶体管的安全工作区(SOA)决定着电压一定时可以安全流经晶体管的电流。SOA通常在BJT、MOSFET或IGBT开关晶体管的产品技术资料中作出规定。它表示为VCE(对FET为VDS)相对于ICE(或IDS )关系图,描述了晶体管在不劣化或不损坏的情况下可以工作的范围。

功率分析软件可以把器件产品技术资料中的SOA上传到4系列B MSO中,然后您可以在实际器件上,测量电压和电流。示波器记录V-I图,可以指明任何参数是否超出SOA。

进行测量

在电源中运行晶体管时,确定晶体管的SOA的主要挑战之一,是在各种负载场景、温度变动和工频输入电压变化下准确地捕获电压和电流数据。4/5/6-PWR自动实现数据捕获和分析,简化了这一任务。测量要求探测开关晶体管上的电压和流经的电流。

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图14. 使用4/5/6-PWR进行SOA测试。如果数据点落在模板区域内,那么它们是黄色的,表示“通过”;如果落在模板区域外面,那么它们是红色的,表示“未通过”。在本例中,V-I曲线落在SOA外面,表明开关器件受到的压力过大。

下一步是设置SOA模板,如图15所示,SOA模板编辑器允许输入晶体管的SOA极限,极限在晶体管产品技术资料中确定,或由您自己的标准确定。

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图15. SOA模板编辑器窗口。模板由一套(电压 , 电流)坐标确定,坐标来自开关器件产品技术资料,也可以由用户自己确定。

测量结果

在设置完成后,会显示SOA测试结果,如图14所示。电压和电流波形在XY模式下在一条记录中绘制。示图显示了一个采集周期的所有数据。

结果标签显示了器件落在SOA模板外面的次数,给出了测试通过/未通过结果。

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