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動態量測可協助電源設計師及早發現問題


在設計各類電子產品時,系統電源的供應和使用是關鍵性的因素。個人電腦、電信和廣播設備,以及軍事設備均迫切需要小量電源供應,以提供日趨小型套件更多電流。由於其外型輕巧和較低的成本,高頻開關式電源 (切換器) 已成為大多數應用的首選解決方案。雖較傳統的線性電源更複雜,切換器的尺寸卻沒有因此而按比例放大。 在設計電源供應器或是將它們推出上市之前,必須全面瞭解任一電源供應器的行為。畢竟這是終端產品的效能、安全,和可靠性之基礎。謹慎的設計師會在設計階段全面特性電源供應器的行為。供應器中的元件 (特別是主動元件) 可能會遇到遠超過其平均操作位準的瞬間狀況。工程師在選擇如功率 MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor,金氧半場效電晶體) 和 IGBT (insulated gate bipolar transistor,絕緣閘雙極電晶體) 的元件時,必須注意到它們的這些峰值和說明。 目前存在多個已接受的電源量測程序,但在電源設計評估中有幾個基本的方法必不可少。歷史上,這些方法都依賴於用數位電錶進行靜態電流和電壓量測。然而,使用者仍需有關動態性能得有意義的資料,才能偵測在開關組件中所隱藏的問題。因此,示波器已成為切換式電源評估的基礎。隨著不斷增加的切換頻率和邊緣速度,使用者將需具備全功能的寬頻儀器以擷取細微的訊號細節。 本文除探討觀察電源供應器中功率 MOSFET 電路行為所使用的部分工具和技巧,著重在確保精確量測所需之工具和準備作業外;還顯示這些讀數如何能偵測這些躲過靜電瞬間功率峰值的量測技巧。 待測裝置 圖 1 顯示了切換器輸入側的簡化電路。對切換式電源及大多數電源轉換產品 PWM 馬達驅動器、電子安定器等等而言,MOSFET功率晶體管配置是典型的結構。MOSFET 是浮動的裝置,沒有任何輸入交流接地或輸出接地端子。因為將示波器探棒的接地導線連接到任何電晶體的終端將會造成該點短路,所以此處無法利用傳統的示波器設定進行簡單的接地參考的量測。

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圖 1. 待測電路顯示 轉換器 MOSFET 和進行汲極到源極電壓量測 (Vds) 的待測點。 定義量測和工具 跨 MOSFET 功率量測含兩種構成波形:電壓和電流。這兩種變數的即時乘機稱為瞬間功率。這些乘積隨時間的圖形即為功率波形。從波形、振幅、相位和功率波形時序,即可得知 MOSFET 上的實際壓力。 具實驗室品質的 DSO (Tektronix TDS 510A) 會被選為量測平台的兩個理由:1.) 它不僅顯示電壓和電流波形,還能計算和以瓦特為單位的直接讀數顯示功率波形;2.) 其介面與精確差動電壓和電流探棒縝密整合。此外,示波器的 500 MS/s 取樣率可以真實地擷取非常快速切換暫態。. 真實的差動量測改變一切 選為量測 MOSFET 電壓波形的解決方案是差動式量測。在兩點之間量測電壓偏差 (如圖 1 中 Vds,在源極與汲極之間電壓),任一無需在接地電位。這些電壓波形可能在數十到數百符特電壓的上限,需視電源供應器的範圍而定。下列是按喜好度遞減列出數種完成此量測的方法: 提高示波器的機箱接地。這種極不安全方法將會危害操作人員、儀器和待測設備。此外,將會產生極不精確的量測結果。這種方法不值得進一步討論。 使用兩個傳統的示波器探棒 (其地線僅能互連) 和示波器的內建通道加總能力進行量測,這稱之為準差 (quasi-differential) 量測。不幸的是,被動式示波器探棒結合示波器放大器缺乏 CMRR (common mode rejection ratio,高共模互斥比),以適當地阻擋共模電壓。此設定無法擷取精確的量測。 使用市售的探棒隔離器隔離示波器的機箱接地。因此,探棒的「接地」引線不再處於接地電位,可以直接連接至測試點。探棒隔離器是有效的解決方案,但卻是非常昂貴,約為良好的差動式探棒2至5倍的成本。 使用具有單獨隔離輸入且為電池供電的示波器,例如Tektronix THS720 TekScopeTM。當與精心挑選的探棒搭配使用時,可提供非常好的效果,尤其是在現場服務應用。 在寬頻示波器上使用真正的差動式探棒。這對於用來預測供電組件的可靠性和小能的關鍵量測是最合適的方法。 此量測選用真正的差動電壓探棒 (Tektronix P5205),是因為其高CMRR (共模抑制比)、低電路負載 (僅7 pF的輸入電容) 以及100 MHz的頻寬。 擷取電流波形 當然,進行電壓量測僅僅是一半的工作。擷取電流波形則是另一門學問,有自己專門的工具和技術。普通的數為萬用電錶雖然適合靜態電流讀數,但缺乏在交流環境中顯示波形特性的能力。再次強調,示波器是用於檢查振幅、時間和相位特性的最佳工具。 這個應用選用了Tektronix TCP202 電流探棒。這是一個「非侵入性」探棒;也就是不需要斷開電路連接的探棒。其夾式拾取透過感應取得訊號。如 P5205 探棒,TCP202 依賴示波器的 TekProbeTM 介面提供自動測距、縮放和工程單位讀數量測。 準備量測 事前花一點點時間設定示波器/探棒系統,可協助確保穩定、可重複的電源量測。電流和電壓探棒均會受到影響: 在進行任何瞬時功率量測之前應執行先簡單的「歸零」的程序。P5205和TCP202,以及該類型的其他探棒均具有內建的直流偏移修正器。將待測設備關閉,示波器和探棒徹底暖機,將示波器設為同時量測電壓和電流波形的平均值。使用將在實際量測中所使用的靈敏度設定。不呈現訊號而調整修正器,將每個波形的平均位準清空為0V (或盡可能接近)。此步驟可確保在量測系統中的「靜態」電壓和電流不會加入測試點的位準。 電流和電壓探棒的延遲特性必須近似。否則,電源量測的實際瞬時電壓和電流的乘積讀數可能會由於延遲而損毀,例如,相對於電壓波形移位電流波形。這樣的移位又將使功率波形的峰值移位,可能導致對晶體管行為產生不正確的評估。 P5205差動電壓探棒和TCP202電流探棒本質上相符 (±2ns的範圍內),能應付大多數的應用。另外,若有需要,有些示波器本身可為探棒之間提供進一步的延遲均衡 (偏移校正) 調節。 儘管差動電壓探頭具有高 (80 dB) 共模抑制比,但明智的做法是驗證在實際量測環境中探棒效能。要做到這一點,只需兩根引線連接到同一個測試點,例如MOSFET的漏極。這兩種探棒端會看到相同的訊號 (「共模」訊號)。理想情況下,差動式探棒應該拒絕整個訊號,並在示波器螢幕上顯示平坦的軌跡。在現實中會有少量的訊號通過,而產生的追蹤結果便會顯示共模誤差。雖然這個簡單的測試並不具有決定性,但會暴露可能會影響量測結果的總CMRR問題。 若出現問題 (例如使用品質較差的差動式探棒時),共模誤差可以由示波器以數學方式減去。而在電流波形上觸發時,可如前所述擷取共模誤差波形並儲存在示波器的參考記憶體。然後使用示波器內建的數學函數,從每次的量測結果中減去這個固定的量。 關鍵時刻 所有的準備工作完成後,量測本身則是相對簡單的工作。目的是檢查在 40 kHz 轉換器電路 (圖 1 所示) 中的開關轉換性質。針對差動式電壓讀數,探棒端則連接至 MOSFET的源極和漏極端子。所得的 Vd 波形如圖 2 所示 (上方軌跡)。
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圖 2. TDS510A 顯示器除顯示數字讀數外,還有電壓、電流,和功率波形。 至於電流量測,鉗式探棒必須從通過其電感拾取核心導體擷取訊號。如果無法實體夾緊感興趣的導體 (此時,從 MOSFET 的引線是汲極),便需新增一個線路迴路串聯訊號作為測試點。事實上,可以視需要使用這種技巧增加電流探棒靈敏度。不要僅使用一個導線迴路,而是使用數圈導線,則探棒的靈敏度將會按圈數相乘而提高。圖 3 圖示此技巧。
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圖 3. 非侵入性電流探棒 (Tektronix TCP 202) 連接到與訊號路徑串聯的多匝導線迴路。此技巧增加電流量測的靈敏度。 圖 2 (中間軌跡) 顯示從 MOSFET 量測的電流波形。這個特定讀數不需要上述的增加靈敏性技巧,且因提供正確的縮放電流波形和讀數。 此時,我們可以開始看到這個量測進行的方向。軌跡是彼此幾乎互補:在電壓軌跡上,沒有電流流過時電壓最大;電流在其峰值時,電壓最小。不過,電流波形中的短暫態會干擾其他方式平順切換過渡。當 MOSFET 仍有約 60 V Vds 電壓期間,便會發生此種暫態。 圖 2 中底部的軌跡是 TDS 510A 示波器自動計算的電源量測。它顯示電壓和電流的軌跡承諾:與電流瞬時吻合的單一強峰。這是總結電路行為的讀數。假設選擇 MOSFET 為如 20瓦 的平均功率容量。傳統的數位萬用電錶電流和電壓讀數指出電晶體是在安全範圍內操作。但是這種 MOSFET 能在每個切換週期承受 30W 峰值?同樣重要的,這個峰值將電路的平均功耗提高到不可接受的程度?為什麼下降電流轉換較上升緣乾淨得多?這些問題可以指向問題的解決方案,範圍從改變切換特性到僅是使用較大的 MOSFET。反過來說,如使用示波器 Mean 功能計算的真正功率來決定瞬間功率讀數的平均值,可以指出該電晶體是在安全範圍內操作。任何一種方式,設計師可以對電路元件做出明智的決策。 綜觀電源量測,很容易瞭解為何量測前的所有準備作業是很重要的。例如,探棒工具中的小直流電偏移會因刻度係數和加乘變複雜,導致大數值錯誤。同樣的,電流和電壓電流之間的延遲差異會改變兩個個別波形的相關位置。結果是,功率波形的峰值可能混亂或可能一起消失!這可能導致到上市後才會測試,這是沒有人喜歡的風險情況。 使用高效能示波器、真正的差動式探棒和精確電流探棒的精確功率量測系統,以示波器為基礎的量測方法,協助設計師評估生產成本效益,但是可靠和值得上市的電源供應器設計的變數。