改善功率转换测试的三个探测小贴士
时间：2017-10-31 09:38:10
作者：Wilson Lee
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几乎在功率转换器的每个部分都存在损耗源，关键区域通常包括开关半导体、磁性元件和整流器。即使性能只改进了几个百分点，甚至是不到百分之一，可能也会具有重大的意义。而为了准确评估和测量这么小的性能提高，异常准确的测量至关重要。
大多数示波器都带有10X衰减无源探头，因为这种探头适合在各种各样的应用中进行测量。这些探头的额定带宽一般为DC ~ 500 MHz，一般能够测量高达几百伏的电压。当然使用通用探头进行功率测量也是可以的，但与这些专为功率应用设计的探头相比，其不可能提供所需的精度，来推动改善功率转换性能。
我们看一下通用探头存在短板的实例。在电源设计和测量中，一个常见的挑战是把噪声与纹波电压隔开。在本例中，我们要使用通用10X探头探测3.3 V电源。问题在于， 10X探头没有提供足够的灵敏度，触发波形中存在的周期噪声。这些探头非常适合许多通用电子测量，因为它们提高了示波器的电压范围，提供了相对较高的带宽。
然而，为了测量几十毫伏的小信号， 1:1 (1X)探头会是更好的选择，因为它导致的信号衰减不大，不会把信号向下推进到示波器的噪底。遗憾的是，这种灵敏度优势被它的带宽劣势抵消了，其带宽通常只有15 MHz左右。如果这种带宽对测量不够，那么最好使用无源2X探头。
事实证明，在这种应用中，2X探头是正确的选择。看一下图1中的波形。黄色轨迹是10X探头，它调整到每格10 mV的最低垂直设置；蓝色波形是2X探头。可以把2X探头调节到每格2 mV的最低垂直设置。由于电源输出会产生3 mV纹波的信号，因此很明显，10X衰减的探头不太适合这种测量。
图1. 使用2X探头(蓝色轨迹)和10X探头(黄色轨迹)测量3.3 V电源。
上面讨论的纹波测量，只是电源设计和调试中能够安全高效地使用单端（参考地电平）探头的诸多应用中的一种。但许多功能转换测量要在浮动环境中完成，这些应用中是不能参考地电平的。
图2指明了没有绑到接地，要求差分测量技术的多种常见的功率转换测量：
图2. 推/拉功率转换器上的部分差分测量点。
可以通过多种方式执行差分测量，包括：
• 使用两只单端探头，计算电压差
• 使用带有专门设计的浮动输入的示波器
• 选择与测量最匹配的差分探头
一种常用技术是使用两只单端探头，每只探头的地线接地，并在被测元件的两侧尖端，如图3所示。然后把示波器设置成显示通道1和通道2之差。这有时称为 “A-B”，它使用示波器中的数学运算来显示两条通道的电压差。在需要进行差分测量，但没有合适的测试设备时，工程师有时会使用这种技术。
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图3. 使用两只单端探头进行准差分测量。
这种方法有几个问题。只有在探头和示波器通道非常匹配时（包括增益、偏置、延迟和频响），这种方法才会得到很好的测量结果。该方法不能提供非常好的共模抑制（清除两个输入共有信号的任何AC部分或DC部分）。此外，如果两个信号没有正确定标，可能会出现示波器输入过载的情况，得到错误测量结果。
我们也可以使用“浮动”示波器。这些示波器的每条输入通道在电气上与机箱接地隔离，然后示波器使用电池供电。示波器机箱到接地的寄生电容也非常低。浮动示波器的这些隔离特点，可以使用一只绝缘的无源探头来进行差分测量。这些仪器非常方便，使用简便，效果好。但是，差分电压探头的电容较低，要求高度平衡。
为获得最好的测量精度，使用技术指标与测量任务相匹配的差分探头通常是最佳的选择。差分探头是有源器件。它们在探头尖端有一个专门设计的差分放大器，只测量经过两个测试点的电压，而不管任一测试点和接地之间的电位是多少，这就大大简化了探测任务，消除了某些可能的误差来源。另外，由于它们只测量差分电压，因此它们还可以忽略并清除可能存在的共模AC摆幅或DC偏置电压。
由于被测器件(DUT)不同部分的测量可能有着完全不同的要求，因此必须审慎地选择探头。在图4所示的实例中，手边的任务是测量被测电源MOSFET开关器件的开机损耗、关机损耗以及传导损耗。图4是带有测量点TP1和TP2的MOSFET的简化示意图。
图4. 带有多个测试点的MOSFET的简化示意图。
被测器件是一种“通用”电源，设计为从世界各国的AC线路（或“市电”）电压供电。仅此一项，就给工程师的测试要求及测试设备提出了多项要求：
• 这种器件的额定输入电压一般在80 VAC ~ 250 VAC或更宽。为表征全球各种输入电压下的性能，不仅要执行一项测量，还要在多种输入电压下执行一系列测量。这适用于被测试的每个性能参数。开关特点(及相应损耗)预计在每个输入电压上都不同，可能不会以线性方式变化。这不仅提高了要执行的测量总数，还需要在测量之间实现可重复性。
• 由于输入供电电压高达250 VAC，开关MOSFET中漏极和源极之间的电压预计会达到354 V或更高。探测解决方案必需拥有足够的通用性，来测量这些电压以及在某些测试中还要能够测量低得多的电压。
被测电源的开关速率为250 kHz。根据测量带宽常用的5倍法则，这相当于要求1.25 MHz的测量带宽。但这是现实世界信号速度的简化版，因为开关器件的实际上升时间预计会超过它一个量级。同样，可能还要考察尖峰、瞬态信号和其他噪声。如果要测量上升时间为几十纳秒的信号，那么探头的上升时间应在几纳秒。为在这个应用实例中准确地进行测量，测量系统的带宽应在350 MHz或更高。
选择最好的探头与应用关系密切，因此必须了解应用的测量要求，确保探头与工作完全适应。对许多功率电子测量来说，差分探头是一个明确的选择，特别是没有参考地电平的测量。对参考地电平的测量，单端探头是一个很好的选择，但注意不要使用10X探头，以免过度衰减小信号。对低压信号，如纹波，最好使用1X探头或2X探头。
