怎樣使用示波器進行基本電源測量

在過去一個世紀中，對電能的需求正以指數(shù)級提高。這使人們更加看重日常電子設(shè)備及高級電子和通信系統(tǒng)中使用的電源的性能和效率。電源分成許多不同的類型和規(guī)格，包括傳統(tǒng)線性電源到高效的開關(guān)電源。所有這些電源都面臨著復(fù)雜的動態(tài)工作環(huán)境。設(shè)備負載和需求在不同時間之間可能會大幅度變化。即使是“日常的”開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠遠超過平均工作電流的峰值電流。此外，必須檢定電源的功率電平、輸出純度和到電源線的諧波反饋，以滿足國家和地區(qū)電源質(zhì)量標準。從歷史上看，這些測量類型意味著使用數(shù)字萬用表進行靜態(tài)電流和電壓測量，然后在計算器或PC上進行麻煩的計算。今天，大多數(shù)工程師正轉(zhuǎn)向示波器，作為首選的電源測量平臺。本應(yīng)用指南將重點介紹怎樣使用示波器進行基本電源測量。

　　準備電源測量

　　對習(xí)慣使用示波器進行高帶寬測量的工程師來說，電源測量頻率相對較低，似乎非常簡單。事實上，電源測量也有很多高速電路設(shè)計人員從未見過的一系列挑戰(zhàn)。經(jīng)過開關(guān)設(shè)備的電壓可能會非常大，而且是“浮動的”，即沒有參考接地。信號的脈寬、周期、頻率和占空比會變化，必須如實地捕獲波形，分析其不理想特點。對示波器的要求非?？量?。當然，示波器必須有基本帶寬和采樣率，處理SMPS內(nèi)部的開關(guān)頻率。電源測量要求至少兩條通道，一條用于電壓測量，一條用于電流測量。提高電源測量簡便程度和可靠性的工具也同樣非常重要。下面是部分考慮因素：

　　是否提供安全精確的電壓和電流探測解決方案?

　　是否有一種快速方式，調(diào)節(jié)探頭的不同延遲?

　　是否有使探頭偏置達到最小的有效流程?

　　儀器能否配備充足的記錄長度，以高分辨率捕獲很長的工頻波形?

　　這些特點為有效執(zhí)行電源設(shè)計測量奠定了基礎(chǔ)。

　　安全準確地探測電壓波形和電流波形

　　在使用數(shù)字示波器進行電源測量時，必需測量設(shè)備中的電壓及電流。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只電壓探頭(通常是高壓差分探頭)，一只電流探頭。圖1顯示了開關(guān)式電源 (SMPS)中的典型測量方案。在范圍在幾kHz到幾MHz 的時鐘驅(qū)動下，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)控制著電流。

　　測量經(jīng)過MOSFET的電流相對簡單，可以使用許多不同的霍爾效應(yīng)電流探頭完成，如TCP0030。而測量電壓則會面臨更多的問題。MOSFET沒有連接到交流電源接地或電路輸出接地上。因此，不可能使用示波器進行接地參考電壓測量，因為把探頭的地線連接到任何MOSFET端子上都會使通過示波器接地的電路短路。

　　進行差分測量是測量MOSFET 電壓的最佳方式。在差分測量中，可以測量漏極到源極電壓(VDS) ，即MOSFET漏極和源極端子中的電壓。VDS 可以位于幾十伏到幾百伏電壓的頂部，具體視電源的范圍而定?？梢酝ㄟ^多種方法測量VDS：

　　浮動示波器的機箱接地。絕對不要采用這種方式，因為這種非常不安全，會給用戶、被測設(shè)備和示波器帶來危險。

　　使用傳統(tǒng)無源單端探頭，把地線相互連接起來，使用示波器的通道匹配功能。這種測量方式稱為準差分測量。但是，無源探頭與示波器的放大器結(jié)合使用時，不能提供充分阻塞任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)。盡管用戶可能很想使用這種方法，因為可以使用已有的探頭，但它并不能準確地測量電壓。

　　使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機箱接地。探頭的地線不再位于接地電位，可以把探頭直接連接到測試點上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但它成本高，通常是差分探頭的2-5倍。