示波器应用之电力电子

开关电源测量中的典型问题交流

电源系统：无处不在

µWMW3MW风电逆变器2.56mm2500mWLED驱动电路小型离线电源电源的用途

电源测试在各种电子电器设计中广泛应用AC/DC开关电源，(如

电脑,电视等各种电子设备中的供电电源DC/DC电源

如电池供电产品中将12V转换为3.3V(如摄像机,手机…)LED背光系统，如果显示器，平板显示，家用和城市照明等工业驱动，伺服电机驱动DC/AC逆变器，如光伏并网设备电源公司在做哪些电源产品一次电源(Delta,Etec,AcBel,ZTE,PowerOne，etc）二次电源(Vicor,TDK,Delta,瑞谷,ZTE,etc)工业电源/客户定制电源（核达中远通，Delta,ZTE，etc）电力电源UPS（梅兰日兰，山特，科士达）变频器(汇川)风能，太阳能(阳光电源)PLC（三菱）PC电源(Delta,光宝，航嘉,etc）适配器电源线性电源开关电源隔离/非隔离AC/DCDC/DCDC/ACAC/AC电源的分类线性电源和开关电源的区别UnregulatedPowerSourceUsableRegulatedPowerUnregulatedPowerSourceUsableRegulatedPower线性电源开关电源Series-PassTransistorSwitchingTransistorFilter电源通过三极管工作在线性区整定得到。输出的直流电压非常干净.电源通过晶体管工作在饱和区和全关区来调节。通过改变开关占空比来控制转换后输出电压大小。利用输出滤波器使脉冲波变成干净的直流电压。线性电源实例工频变压器将50/60Hz交流电压转换成一定大小的副边交流电压并起到隔离作用。整流桥将副边交流电压转换成未经整定的直流电压滤波电容平滑未整定的直流电压，对瞬时负载的变化起存储能量

三极管作为可变电阻调节输出电压大小。电压差作为热量消耗掉。反馈调节电路控制三极管使输出电压对负载和线电压的变化保持恒定。UnregulatedPowerSourceUsableRegulatedPowerLineVoltagesGroundReferencedRectifierFilterCapacitorSeriesPassTransistorLineTransformerRegulatorCircuitLOAD线性电源实例线性电源将没有用的电源能量转换成了热量，导致效率很低。能量是连续进行转换的。变压器磁心尺寸大小和线电压频率成反比，如果线电压的频率增加，变压器的尺寸和重量就会减小。滤波电容和电感大小由线电压频率决定，不能改变。线性工作原理决定了电压输出必然是干净的，波形没有快速变化，限制了谐波含量。UnregulatedPowerSourceUsableRegulatedPower电信产品供电系统实例开关电源的基本拓朴类型非隔离电源中DC/DC是基础的基础，很多拓朴是由它演变过来的.DC/DC的六种基本拓朴：Buck/Boost/Cuk/Buck/Boost是最基本的，是很多工业化的电源电路的基础PFC电源大多数是采用Boost电路开关模式分析是电源分析的起点隔离电源：大多数电源产品都是隔离电源类型。变压器设计是电源设计的关键。隔离电源的拓朴类型难以数计。但实用的工业化的拓朴就那么几种：单端反激电路单端正激电路双正激电路半桥电路全桥/全桥移相电路全桥LLC谐振电路

电源测试项目

输出输入电源路径开关元件控制回路电源质量冲击电流电流谐波安全工作区S.O.A.开启/关断特性开关损耗电源效率调制分析动态导通电阻.转换速率看波形测电压测电流测损耗

开关电源测试点&项目分析

纹波电压步进响应关断特性测量参考地浪涌电流线电压线电流线电流谐波有功功率视在功率功率因素纹波电流VDSXIDS=Power

电源测量12个常见问题

1，如何选择示波器的三大指标?2，如何查找电源测量中的偶发性异常？3，超过4路的电源上电时序如何用参数测量4，如何正确地测量电源软启动过程?5，如何正确地测量电源纹波和电源噪声?6，如何看待高压“测不准”的问题？7，如何正确对待电源测量中的接地问题?8,如何正确地测量悬浮电压？9，是否可以用示波器准确测量开关管损耗?10，为什么有些示波器测量电源负载动态特性误差很大？11，如何测量开关器件的安全工作区？12,如何利用示波器对电源进行频谱分析?

示波器四大指标的选择

带宽1.测量开关管（主流是MOSFET）的系统带宽建议是100MHz2.测量电源系统的监控部分电路的带宽建议是500MHz3.测量电源纹波的带宽建议是20MHz,电源噪声的带宽建议是500MHz4.测量电源的快速瞬变脉冲放电的带宽建议是1GHz采样率

1.测量开关管（主流是MOSFET）的采样率建议是250MS/s2.测量电源系统的监控部分电路的采样率建议是5GS/s3.测量电源纹波的采样率建议是250MS/s,电源噪声的采样率建议是5GS/s4.测量电源的快速瞬变脉冲放电的采样率建议是10GS/s存储深度越高越好波形捕获率

越高越好

带宽基本概念示波器带宽通常是指模拟带宽。是指示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点。也就是正弦波输入信号被衰减到信号真实幅度70.7%时的频率，也称为-3dB截止频率点垂直系统的放大器和低通滤波器(orAnti-LiaisingLPF)决定了示波器带宽示波器的带宽与测量精度息息相关！

带宽对测量误差的影响

方波由多个谐波分量组成谐波分量越多，上升沿越陡峭（上升时间越短，信号的带宽越宽）示波器带宽注：待测信号的类型、上升时间也决定了示波器带宽的选择！Measuredrisetime(tr)2=(trsignal)2+(trscope)2+(trprobe)2

带宽越高越好？

根据上升时间和带宽的关系，似乎可以得出结论，带宽越高,测量的误差越小，因为带宽越高，对应的示波器本身的上升时间越小，测量出的上升时间就非常接近于真实的上升时间。实际上带宽并不是越大越好，因为示波器毕竟不是一个理想的仪器，它本身也有噪声。从频域来理解会更容易些。只有当被测信号的能量远大于示波器测量系统本身带来的噪声能量的时候即信噪比足够大的时候，选择的带宽才是合适的。当被测信号99%的能量都在20MHz范围以内，使用20MHz的带宽限制就合适了，但如果用500MHz的示波器，因为20MHz到500MHz带宽范围内的示波器及探头的底噪及探头感应的噪声能量会远大于被测信号剩下的1%的能量，测量出来的结果反而没有用20MHz带宽的更接近真实情况。在测量电源纹波时需要将示波器带宽限制为20MHz就是这个道理。

如何判断采样率是否足够？

超过带宽5倍以上的采样率可保证好的测量精度采样测试脉冲波,需在上升沿采样3-5个点高采样率减少了测试波形的失真

存储深度

每个捕获波形的样点总数，称为该波形的存储深度。示波器内存所支持的最大记录长度称为示波器的存储深度示波器内存有限，因此选择一个合适的采样率和时基范围对正确观测波形来说至关重要ResolutionAcquisitionTimeNumberofSamples=RecordLengtht500MS/s*20ms=10Mpts采样率*采样时间=存储深度

长存储应用：有源功率因数校正电路分析

高功率因数是所有电子设备需要具备的重要参数为保证更高的功率因数，电流相位应与电压的相位相同为实现上述功能，MOSFET在电压峰值时应导通时间最短，电压过零时导通时间最长设计人员需要测试和分析功率因数校正电路的调制规律，需要长存储有源功率因数校正门级驱动电路的脉宽调制信号

SDS3024-为开关电源测量量身定做

带宽：200MHz（有100，350，500，750MHz型号）采样率：4GS/s存储深度：10Mpts(标配)波形捕获率：25万次/秒波形捕获率的价值是什么?

电源测试中的偶发异常

电源调试中工程师碰到的更常见情况是：不能确定异常信号是否存在？譬如怀疑开关管上升沿“回沟”不正常,但无法确定也无法触发。或者已经看到某异常信号，但无法设置任何触发方式定位，欠幅？毛刺？台阶？还是非单调？或者被触发的信号上面叠加了很多噪声无法触发?这三种情况的存在都会使工程师面临这样一种困境：不知如何设置触发器，以准确、无遗漏的定位异常，特别是出现概率非常小的偶发异常？所以，触发是定位问题的最佳工具，但不是发现问题的手段

定位异常的最直接方式

最容易，最简单的获得证据的方式是触发信号的上升沿，结合用余辉方式来观察有没有异常信号。这种传统方式下查看异常信号的能力和示波器的捕获率成正比：捕获率越快，就越容易找到异常信号因此，示波器厂家一直在追求捕获率指标，甚至有厂商将之定义为示波器的第四大指标

波形捕获率对查找异常的影响

acquisitionof1stwfmblindtimeacquisitionof2ndwfmacquisitioncyclefor1waveforme.g.100nse.g.19.9us示波器显示丢失关键信号信息!!信号真实获取存在的挑战！数字示波器存在显著的盲区！

典型值:最大

0.5%有效时间→99.5%死区时间(50,000waveform/s)客户需求:快速、可靠的找到偶发零星的故障信号；仪表迅速显示测试结果。

数字触发系统

数字触发的好处

数字触发系统可以给用户带来更加灵活方便的触发设置数字触发的好处实时稳定触发波形，无需DSP修正!硬件实现最小的触发抖动，<500fs无需DSP修正，不影响波形捕获率指标相比模拟触发的好处可以触发垂直幅度很低的小信号触发延时可调，保证稳定触发.可对噪声干扰严重的信号进行触发滤波（用户自定义低通滤波器）

数字触发系统可以给用户带来更加灵活方便的触发设置

如何正确测试电源的软启动？

先固定采样率为250MS/s根据被测电源软启动时间,将示波器时基设置为相应大小,譬如软启动时间为100ms,将示波器设置为10ms/div.对应示波器的存储深度就需要10Mpts.用两个探头,同时测量PWM的Vds和输出电压

触发源设置为测量PWM信号的通道，触发电平在Vds电压范围以内.设置为Normal触发模式,最后按“单次”触发利用电源分析软件或参数追踪功能查看PWM占空比变化过程

如何正确测试电源纹波&噪声？

5mv/div甚至更小

最小化量化误差Cables尽可能减少地线环路250MS/s/5GS/s时刻警惕采样率20ms以上（2ms/div)20MHz/500MHzAC1M欧/DC50欧+AC隔直电容外接

电源噪声的成因

电源噪声是指电源模块工作在实际产品系统中，经过供电分布网络将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者简单说是电源输出的末端(Sink端)的电压的波动。电压的波动在源端叫纹波（Ripple)，在末端叫噪声（Noise)。电源噪声中包括了电源纹波成分。电源纹波。稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的波纹。电源纹波理解为电源模块包括前面提到的VRM的输出电压的波动,和复杂的供电网络无关，或者说是电源输出的源端（Source端)的电压的波动瞬态交变电流。稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化电流回路上的电感。负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降从表现形式上分为:同步开关噪声地弹非理想阻抗影响谐振及边缘效应

正确对待电源中的接地

示波器正常接地剪掉示波器电源的地，浮地测量使用隔离变压器给示波器供电使用差分探头使用干电池供电的示波器任何测量本质上都是差分测量

测量开关管损耗

测量浮地信号，使用差分探头是最好的选择不要悬浮你的示波器准确的开关损耗和功率测试需要做好探头的校准工作探头的直流偏置校准探头延迟校准

探头校准的意义

电压和电流之间的延迟将导致错误的功率测量结果NegativevoltagevscurrentpulseskewPowermeasurementtoohighPositivevolt