第十三講 示波器基礎(chǔ)之高壓測試

中心議題： 高壓測試中使用不同示波器測試結(jié)果不一樣 解決方案： 最小化量化誤差 謹(jǐn)慎處理示波器接地 幅頻特性曲線平坦度問題 對于電源客戶而言，MOSFET的電壓應(yīng)力測試是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，它決定了電路的調(diào)試，電源的使用壽命，MOSFET器件的選型等。而在電源測試中，我們常常遇到這樣一個(gè)現(xiàn)象：測試高壓時(shí)不同品牌的示波器測試的結(jié)果差別很大。例如測試大約450V的MOSFET的Vds電壓，三臺示波器的最大差別有50V左右；同一品牌不同型號的示波器差別也很大；同樣的示波器不同探頭測量結(jié)果有時(shí)差別也很大。所以在寫測試報(bào)告時(shí)要標(biāo)明是用什么型號的示波器和什么序列號的探頭測試出來的結(jié)果。但很多電源工程師并不理解這個(gè)問題的理論根源，本文將進(jìn)行討論。

高壓“測不準(zhǔn)”的原因其實(shí)很簡單，有四個(gè)因素：
第一是示波器的量化誤差問題；
第二是示波器的幅頻特性曲線的平坦度問題；
第三是環(huán)境噪聲的干擾問題；
第四是探頭的共模抑制比和快恢復(fù)特性問題。

1.量化誤差的概念
示波器的A/D只有8位，也就是說對于任何一個(gè)電壓值都只有256個(gè)0和1來重組。如果包括+/-符號位,示波器的數(shù)字量程是-128~+127。圖一清楚地顯示了這種數(shù)字化采樣的原理。示波器的屏幕最頂部代表的是+127,中間代表的是0，最底部代表的是-128。這種原理就產(chǎn)生了使用示波器的第一原則：最小化量化誤差。這個(gè)原則告訴了我們使用示波器的一個(gè)常識，為獲得最接近于真實(shí)值的電壓值，應(yīng)使垂直分辨率盡可能地小，使顯示的波形盡量占滿示波器的屏幕。圖一 量化誤差原理的解釋
圖二分別表示在1V/div和200mv/div的時(shí)候測試相同的信號的效果。在1V/div的時(shí)候，示波器的最小量化誤差是（1V*8）/256=31.25mv，這意味著小于31.25mV的信號是無法準(zhǔn)確測量出來的。而對于高壓測量，假設(shè)量程是100V/div,示波器的量化誤差是800V/256=3.125V，這意味著小于3.125V的信號是無法準(zhǔn)確測量出來的。圖二 在不同量程下的測試效果
有一個(gè)更令人印象深刻的例子來說明量化誤差：將探頭的地和信號針直接相連懸在空中，比較量程為20mV/div和100V/div時(shí)的pk-pk值，其差異是多大？幾十伏的差異??！您現(xiàn)在就可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這表示在100V/div時(shí)測試出來的20V的信號，實(shí)際上只有不到20mV！所以對于測量800V的高壓，20V的誤差是非常非常正常的！50V也是非常正常的！2.幅頻特性曲線平坦度問題
就示波器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而言,示波器幅頻曲線距離理想響應(yīng)的偏差允許達(dá)到+/-2dB，這對有些精確度要求很高的測量似乎是很不能接受的誤差范圍。因此,示波器并沒有在測量界定義為計(jì)量的工具，它只能說是調(diào)試的工具或測試的工具。

此外，不同型號的示波器，不同品牌的示波器，其前端放大器的響應(yīng)曲線也是有差別的，有的是高斯響應(yīng)，有的是矩形響應(yīng)，有的是四階貝塞爾響應(yīng)。對于輸入相同頻率的信號，不同示波器的垂直參數(shù)的測量結(jié)果肯定是不一致的，不同垂直通道設(shè)置下的測量結(jié)果也應(yīng)是不一致的。

我們從儀器校準(zhǔn)專業(yè)了解到，示波器在校準(zhǔn)時(shí)，一般會把平坦度校準(zhǔn)到+/-1.5%以內(nèi)，這是比較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，對于理想中的1V的正弦信號，測試的結(jié)果偏差15mv是很正常的。圖三表示理想響應(yīng)和實(shí)際的示波器響應(yīng)之間的偏差。圖三 理想的響應(yīng)和典型響應(yīng)曲線之間的偏差
圖四顯示的是我們6GHz的幅頻特性曲線。可以看出其最大偏差遠(yuǎn)小于+/-2dB。示波器使用一段時(shí)間后平坦度會有些改變需要送校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。但通常很多第三方機(jī)構(gòu)只能判斷出幅頻曲線是否合格，但并不能將平坦度校準(zhǔn)到廠家能校準(zhǔn)到的水平。因此，現(xiàn)在常有些客戶要求示波器原廠提供校準(zhǔn)服務(wù)。如果比較兩個(gè)不同品牌相同帶寬的幅頻特性，對于同一個(gè)頻率點(diǎn)其幅值不可能是相等的。圖四 實(shí)際的幅頻特性曲線圖
3.環(huán)境噪聲的干擾問題
干擾的傳播有兩個(gè)來源，一個(gè)是傳導(dǎo)，一個(gè)是輻射。前者指干擾沿著導(dǎo)線介質(zhì)來傳播，后者是指通過空中的電磁場的耦合。這兩個(gè)因素都會影響測試結(jié)果。

地環(huán)路常是傳導(dǎo)的介質(zhì)。電流采樣的難點(diǎn)也是和接地有關(guān)的，因?yàn)橥ㄟ^小電阻來采樣電流后得到的電壓非常小，在強(qiáng)電環(huán)境中非常容易受到干擾，特別是地帶來的干擾給控制環(huán)路的設(shè)計(jì)帶來難題?！暗亍钡膯栴}是更復(fù)雜的話題，下面將舉例說明。

專業(yè)的工業(yè)廠房的“大地”有很專業(yè)的接地措施。“大地”可以比成波瀾不驚的大海，而每一個(gè)和大地連接的電子設(shè)備的“地”就如流向這大海的無數(shù)條河流。每個(gè)電子設(shè)備在工作的時(shí)候就會使河流入?？诘牡胤降暮Ｋ儭盎鞚帷?，如果在這附近有另外一個(gè)電子設(shè)備也在工作，這條河流變混濁的海水會影響到另外一個(gè)河流，這時(shí)候另外一個(gè)設(shè)備甚至可能不能正常工作。這種相互混濁的過程帶來了一門科學(xué)，就是EMC。功率越大，對地的干擾越大。

我們必須深刻認(rèn)識到地之間的相互干擾是必須要嚴(yán)肅對待的問題。在示波器的測量中，我們強(qiáng)調(diào)一定要三相供電，將示波器的地接到“干凈的”地上。但實(shí)際的測量環(huán)境中，干凈的地很難找到，這時(shí)候測量結(jié)果就要考慮到地環(huán)路的影響。 有些工程師將示波器的按地插頭去掉，用兩相電源線給示波器供電，試圖通過這種方法來避免環(huán)境地的干擾以及解決懸浮的高壓測試問題。這種浮地的方法是儀器廠家強(qiáng)烈反對的做法，它可能會導(dǎo)致示波器損壞，DUT損壞，還有可能帶來人身安全問題，而且更重要的是，會導(dǎo)致測試波形的嚴(yán)重失真。以示波器的機(jī)殼作為參考點(diǎn)的測量能準(zhǔn)確嗎？一定要讓示波器的地牢固地接到干凈的地上，而地不干凈的時(shí)候要想法設(shè)法找到干凈的地接到示波器的地。地是探頭取樣的參考點(diǎn)，必須是干凈的才能得到最準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

還有輻射。這是一個(gè)處處充滿輻射的世界。輻射對測量的影響的故事也很多很多。對于一個(gè)48V/50A的通信電源，業(yè)界要求輸出電壓的紋波峰峰值是100mV以內(nèi)，這個(gè)指標(biāo)是指將電源蓋上機(jī)殼后的指標(biāo)。蓋機(jī)殼是最后做的事情，做一個(gè)項(xiàng)目先設(shè)計(jì)出單板，連機(jī)殼是什么樣都不知道。這時(shí)候我們在測試中需要將示波器的帶寬限制為20M。在不蓋機(jī)殼測試為200mV的時(shí)候，經(jīng)驗(yàn)告訴我們這樣已經(jīng)OK了，結(jié)果果真！EMC似乎是關(guān)于經(jīng)驗(yàn)的學(xué)問。

單端探頭的線差不多都有一米長，我們將這些線懸在空中和將這線盡可能地縮短然后用手握住，測試結(jié)果會有多大差別？這又是經(jīng)驗(yàn)。在將負(fù)載增加的過程中，為了能從示波器中看出信號的端倪，工程師不得不不斷地折騰探頭的線，一會松開線看看波形，一會又將線裹在一起握住看看波形。這種痛苦對于弱電的研發(fā)是感受沒有那么強(qiáng)烈的。

有時(shí)侯有些工程師為了省事，同時(shí)用多個(gè)通道時(shí)，只將一個(gè)探頭的地線接上，這無疑為對測量結(jié)果影響很大。探頭的地線越短越好，地線和信號線之間的環(huán)路面積越大，輻射帶來的影響越大。這在霍華德那本經(jīng)典書中一開始就有談到。

有時(shí)候探頭的地線被磨損了，測試的波形看起來是一條直流信號上有很多細(xì)小的毛刺。沒有很好屏幕效果的地線也會極大地增加輻射的干擾，在高壓測試中很輕松地帶來 100V以上的誤差。

在用高壓差分探頭測試時(shí)，需要將兩條線絞在一起而不要讓它們自由地散開。這是常識，但很多工程師都沒有意識到。

有一次，一個(gè)工程師投訴說，用我們兩個(gè)相同型號的探頭測試同一個(gè)被測點(diǎn)，交換通道后幅值差別很大。后來查了半天，發(fā)現(xiàn)本質(zhì)原因不是交換通道，而是和兩個(gè)探頭的線的擺法有關(guān)。兩根線的位置不一樣測試的結(jié)果就不一樣。

所以，我們在看到一個(gè)現(xiàn)象的時(shí)候總要去反復(fù)做一些交叉實(shí)驗(yàn)，對比測試后才能找出現(xiàn)象后面的原因，最終解決問題或得出結(jié)論。

傳導(dǎo)和輻射，我們在測試的時(shí)候總要考慮到這兩點(diǎn)對測試結(jié)果的影響。4.探頭的共模抑制比和快恢復(fù)特性問題
我們關(guān)注的信號總是兩個(gè)信號相減的結(jié)果。對于單端信號，是被測點(diǎn)的電位和地相減；對差分信號，是兩個(gè)相對地的差分信號之減。我們希望示波器測試到的信號是探頭的減法效應(yīng)之后沒有引進(jìn)對地的共模噪音。這在實(shí)際中是不可能的。因此，探頭的共模抑制比越大，測試出來的結(jié)果越準(zhǔn)確。不同的探頭共模抑制比不一樣。單端探頭的共模抑制比很低，只有幾千分之一，而普通的高壓差分探頭，如力科的ADP305，Tek公司的P52XX等共模抑制比為一萬分之一。這在高壓測試中是不夠的。如在測試全橋或半橋電路的上半橋Vds電壓時(shí)，MOSFET關(guān)斷時(shí)的Vds電壓為400V以上，在MOSFET導(dǎo)通時(shí)的Vds電壓只有100mV，我們需要在示波器中清晰地看到100mV，這意味著示波器和探頭構(gòu)成的測試系統(tǒng)能夠從400V電壓中拾取100mV的小信號，這需要探頭具有10萬分之一的共模抑制比。例如力科的差分放大器DA1855A就能做到這樣高的共模抑制比。

此外，還有很重要的一點(diǎn)是，對于Vds電壓測試，由于從400V電壓跳變到100mV的電壓是瞬間的突變，如果探頭沒有很好的快過驅(qū)動(dòng)恢復(fù)能力，會導(dǎo)致示波器過驅(qū)動(dòng)，測試出來的結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。MOSFET導(dǎo)通時(shí)的100mV的電壓測試出來的結(jié)果可能為負(fù)的十幾伏。大家可以立即去確認(rèn)下這一點(diǎn)：在50V/div的量程下看到導(dǎo)通時(shí)的波形是一條零線，但將量程調(diào)節(jié)到100mV/div的時(shí)候，就看到零線變成了負(fù)線，有的時(shí)候還會看到這負(fù)線不是恒定的，而是上下跳動(dòng)著的。力科的差分放大器DA1855A就提供了很好的過驅(qū)動(dòng)恢復(fù)能力，使得能準(zhǔn)確測試出MOSFET在導(dǎo)通時(shí)的低電壓，從而測試出來的Vds電壓值才是最準(zhǔn)確的。這就好比一個(gè)人騎著一輛自行車從60度的陡坡沖下來，如果這自行車沒有很好的剎車系統(tǒng)，它是無法停留在它本來應(yīng)停留的位置，總會沖得更遠(yuǎn)。

圖五所示為差分放大器DA1855A的工作原理和外觀圖。
圖五 具有快過驅(qū)動(dòng)恢復(fù)特性和高共模抑制比的DA1855A
綜上所述，我們知道，測量是科學(xué)，也是一門藝術(shù)。既需要理論的指導(dǎo)，也需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)?？偨Y(jié)了經(jīng)驗(yàn)之后，我們需要對測試規(guī)范做更細(xì)致的描述，對于有些測試指標(biāo)應(yīng)重新審視一下是否合理，對于有些測試指標(biāo)要詳細(xì)定義測試的環(huán)境和示波器的設(shè)置等。對于電源的Vds電壓，超過450伏就超標(biāo)了，這個(gè)問題困擾了太多的工程師了。我們該如何重新定義這個(gè)指標(biāo)？可能需要更加高端的儀器才能做到。