示波器電源測試分析主要實(shí)現使用示波器來(lái)對電源(開(kāi)關(guān)電源)進(jìn)行相關(guān)測試，提高電源開(kāi)發(fā)人員的工作效率，方便對電源模塊進(jìn)行測試。主要涉及開(kāi)關(guān)電源(AC/DC)有關(guān)測試。在大多數現代系統中，流行的DC電源結構是開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，這種電源因能夠高效處理負載變化而聞名。

 

典型SMPS的電源信號路徑包括無(wú)源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了有損耗的元件的使用量，如電阻器和線(xiàn)性模式晶體管，重點(diǎn)采用(在理想條件下)沒(méi)有損耗的元件，如開(kāi)關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。其主要構成如圖1所示。

 

圖1 開(kāi)關(guān)電源原理圖

 

開(kāi)關(guān)電源的測試參數主要包括輸入端分析、輸出端分析、磁性元件分析、開(kāi)關(guān)器件分析、調制分析、環(huán)路分析等，如下表為進(jìn)入電源分析測試界面后，對于各個(gè)測試功能的測試項目。首先我們先以最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)損耗測試為例進(jìn)行講解。

 

 

一 開(kāi)關(guān)損耗測試

 

1、測試原理

 

開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)器件總是工作在打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)，可以提供更高的效率。理想情況下，開(kāi)關(guān)器件打開(kāi)和關(guān)閉是沒(méi)有損耗的。如圖2所示。

 

ON = 完全導通(理想情況下 V = 0，意味著(zhù)開(kāi)關(guān)損耗 P = V x I = 0)

 

OFF = 完全關(guān)閉(理想情況下 I = 0，意味著(zhù)開(kāi)關(guān)損耗 P = V x I = 0)

 

圖2 理想開(kāi)關(guān)器件

 

但現實(shí)情況中，是在存功率損耗的。主要包括開(kāi)關(guān)損耗，傳導損耗。如下圖3所示。

 

圖3 實(shí)際損耗

 

針對功率損耗主要計算主要包括三部分之和：

 

導通過(guò)程損耗+關(guān)閉過(guò)程損耗+導通損耗

 

Ploss=Pon+Poff+Pcond

 

2、測試步驟

 

開(kāi)關(guān)元件分析的接線(xiàn)示意圖如下圖4所示。其中通道1使用高壓差分電壓探頭接開(kāi)關(guān)的兩端，通道2使用電流探頭接開(kāi)關(guān)的一端

 

圖4 開(kāi)關(guān)元件接線(xiàn)示意圖

 

調節好電流探頭和電壓探頭的探頭比率后，點(diǎn)擊【Analyze】進(jìn)入電源分析測試界面，在【功能】中選擇【開(kāi)關(guān)損耗】點(diǎn)擊【參數配置】進(jìn)入參數設置界面，如下圖5所示。參數設置用于判定開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，需要進(jìn)行設置的參數有電壓通道、電流通道、參考電壓、參考電流和導通計算選擇。

 

圖5 開(kāi)關(guān)損耗參數設置

 

計算結果表格如圖6所示。

 

圖6 開(kāi)關(guān)損耗測量結果

 

● 當前值：該行結果為當前樣本的計算結果。

● 最大值、最小值和平均值：統計結果，可以使用Clear進(jìn)行清除并重新開(kāi)始統計。

● 功率最大統計項(P)：瞬時(shí)功率最大值。

● 能量最大統計項（E）：與瞬時(shí)功率對應的能量，其時(shí)間是一個(gè)采樣間隔。

● 功率平均值統計項(P)：整個(gè)樣本平均功率。

 

有的工程師會(huì )問(wèn)了，這么多的功率值我主要參考哪個(gè)值呢？小編建議是以當前值為參考值哦。

 

圖7 dv/dt 或 di/dt 效果圖

 

其中：黃色為dv/dt，綠色為di/dt。

 

參考電壓——用來(lái)識別導通狀態(tài)。當電壓值小于波形最大電壓的參考電壓百分比時(shí)，認為該狀態(tài)為導通狀態(tài)。

 

參考電流——用來(lái)識別關(guān)閉狀態(tài)。當電流值小于波形最大電流的參考百分比時(shí)，認為該狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。

 

參考電壓和參考電流一般設置為默認值就可以。

 

二 環(huán)路分析

 

環(huán)開(kāi)關(guān)電源的環(huán)路分析，可以測量系統的增益、相位隨頻率變化的曲線(xiàn)(伯德圖)，分析系統的增益余量與相位余量，以判定系統的穩定性；在被動(dòng)器件的阻抗分析中，環(huán)路分析可以觀(guān)察電容、電感的高頻阻抗曲線(xiàn)，測量電容ESR等。環(huán)路分析的一個(gè)重要作用就是分析開(kāi)關(guān)電源的穩定性。

 

1、測試原理

 

掃頻測試原理主要是給開(kāi)關(guān)電源電路注入一個(gè)頻率變化的正弦信號，測量開(kāi)關(guān)電源在頻域上的特性，通過(guò)分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來(lái)判斷環(huán)路是否穩定，可以為電子工程師設計穩定的控制電路提供直觀(guān)的數據。另外，環(huán)路分析也有單頻點(diǎn)測試功能。利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統增益的大小和相位，如圖8所示。

 

圖8 伯德圖及相關(guān)參數

 

伯德圖相關(guān)參數有：

 

● 穿越頻率：增益為 0dB 時(shí)對應的頻率；

● 相位裕度：增益為 0dB 時(shí)對應的相位差；

● 增益裕度：相位為 0°時(shí)對應的增益差。

 

系統的穩定性可以通過(guò)伯德圖中的相位余量，增益余量，穿越頻率來(lái)衡量。

 

系統開(kāi)發(fā)期間，研發(fā)人員可以在開(kāi)發(fā)前期使用系統仿真軟件Saber、PSIM、simplis上面進(jìn)行環(huán)路電路的設計和模擬，在開(kāi)發(fā)的中后期，則可以使用ZDS3000/4000系列示波器的環(huán)路分析功能進(jìn)行實(shí)際的環(huán)路電路特性的驗證和改進(jìn)。

 

2、測試步驟

 

開(kāi)關(guān)電源實(shí)際上是一個(gè)包含了負反饋控制環(huán)路的放大器，會(huì )放大交流信號并對負載變化作出反饋?lái)憫?。為了完成控制環(huán)路響應測試，需要把一個(gè)擾動(dòng)信號（一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號或單一頻點(diǎn)正弦波信號）注入到控制環(huán)路的反饋路徑中。這個(gè)反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )。我們需要把一個(gè)阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中，才能注入一個(gè)擾動(dòng)信號。

 

例如下圖9所示的注入電阻為5Ω，注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的。所以，用戶(hù)可以考慮把這個(gè)低阻值注入電阻器作為長(cháng)久使用的測試器件。另外還需要使用一個(gè)隔離變壓器來(lái)隔離這個(gè)交流干擾信號，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。由于實(shí)際的注入和輸出的電壓一般都很小，因此信號注入端建議使用BNC頭轉夾子的線(xiàn)纜進(jìn)行信號注入，并且使用X1的探頭進(jìn)行注入端和反饋端的信號測量。

 

環(huán)路功能的同步環(huán)路測試時(shí)，需要使用致遠電子環(huán)路測試配套的信號發(fā)生模塊與ZDS3000/4000系列示波器相連，通過(guò)示波器控制信號發(fā)生模塊配合生成需要的頻率信號，環(huán)路測試信號接線(xiàn)圖如圖9所示。

 

圖9 環(huán)路測試信號接線(xiàn)

 

同步環(huán)路測試的實(shí)物連接圖如圖10所示，該圖中使得一根BNC線(xiàn)纜連接ZDS3000/4000系列背部的觸發(fā)輸出端與信號發(fā)生模塊，信號發(fā)生模塊的輸出再用BNC線(xiàn)纜連接到隔離變壓器，隔離變壓器的輸出通過(guò)BNC轉夾子的線(xiàn)纜，將信號注入到被測板的注入電阻兩端，然后用兩根衰減比為X1的探頭，測量注入端與輸出端的信號。

 

圖10 環(huán)路測試實(shí)物連接

 

3、參數設置

 

點(diǎn)擊示波器面板上【Analyze】鍵，再點(diǎn)擊【環(huán)路測試】按鈕，進(jìn)入環(huán)路測試功能菜單。點(diǎn)擊【參數設置】按鈕，會(huì )彈出參數設置窗口，旋轉旋鈕A可選擇參數，短按旋鈕A后可進(jìn)行參數修改，其中包括【參數設置】、【濾波設置】和【同步設置】。如圖11所示：

 

圖11 參數設置菜單

 

環(huán)路功能的運行可以點(diǎn)擊菜單的【運行停止】測試啟動(dòng)后，界面會(huì )切換到環(huán)路掃頻運行的界面，功能會(huì )根據當前采樣到的頻率、相位差、增益，不斷地繪制出頻率與相位、頻率與增益的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，其中，藍色曲線(xiàn)為增益曲線(xiàn)，橙色曲線(xiàn)為相位曲線(xiàn)。如圖12所示：

 

圖12 掃頻測試運行中

 

4、界面說(shuō)明

 

ZDS3000/4000系列環(huán)路分析功能擁有獨特的掃頻分析操作界面，對測試操作和用戶(hù)體驗進(jìn)行了創(chuàng )新性地設計，如圖13所示：

 

圖13 環(huán)路測試掃頻界面

 

包含有如下區域：

 

● 掃頻波形顯示區域：藍色曲線(xiàn)為增益曲線(xiàn)，橙色曲線(xiàn)為相位曲線(xiàn)，PM/GM 信息顯示在右上角，可通過(guò)旋鈕 B 進(jìn)行滾動(dòng)查看每個(gè)測量點(diǎn)，并可放大顯示；

● 快捷操作觸摸按鈕區域：這個(gè)區域擁有一排快捷操作按鈕，觸摸點(diǎn)擊操作，例如可以載入校準參數，可以切換增益和相位曲線(xiàn)的顯示方式；

● 增益相位垂直刻度：顯示當前增益曲線(xiàn)和相位曲線(xiàn)的垂直刻度，在掃頻運行過(guò)程中，功能會(huì )自動(dòng)調節垂直刻度，以滿(mǎn)足變化的曲線(xiàn)顯示范圍。在掃頻結束后，用戶(hù)可以自己手動(dòng)修改垂直檔位和范圍。

● 存儲通道操作區域：功能可支持存儲8組之前的掃頻曲線(xiàn)，方便進(jìn)行測試之間的對比?？蓪γ拷M存儲通道進(jìn)行顯示隱藏、重命令、導入導出等操作。

 

5、結果分析

 

過(guò)掃頻曲線(xiàn)伯德圖，可以直觀(guān)地看到整個(gè)頻率范圍內的增益和相位變化趨勢，方便觀(guān)察和分析，做到心中有數。實(shí)測電源的掃頻曲線(xiàn)如圖13所示，增益裕量（GM）和相位裕量（PM）信息顯示在掃頻界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB時(shí)的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量開(kāi)關(guān)電源穩定的一個(gè)重要指標。

本文轉載自ZLG立功科技。

 

 

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