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2018.03.22
示波器在電源測試環節的典型應用

作者:博宇科技 來源:致遠電子


測試電源主要是針對MOSFET做測試,具體的測量項目多種多樣。常規VGS、VDS的幅度測量包含幅度、高、低、最大值、最小值、RMS、峰峰值、正/ 負過沖、平均值、周期平均值、周期RMS測量,時間測量也有周期、頻率、上升/ 下降時間、正/ 負占空比、正/ 負脈寬、突發寬度、延遲、相位等多種參數、有時還需同時監控開關損耗、漏電流等測試項……

如果只能同時測量4-8個參數則局限太強,此時的參數應該越多越好,這也是我們起初設計示波器時考慮讓24項參數可以同屏顯示的初衷。

圖1VGS、VDS測量參數


問題二:在MOSFET調試中,如何捕獲偶發的毛刺信號?
MOSFET的測試開關瞬間偶爾會碰到毛刺信號,無論是小概率的猝發還是邊沿的抖動,都可能對電路造成誤動作,下面介紹兩種捕獲小概率異常的方法。
1. 無限余輝+模板觸發
如果事先無法判斷周期性信號內偶發異常的概率和特征,可以先用示波器的余輝功能查看毛刺軌跡,然后利用模板觸發將異常信號隔離出來。


2. 測量統計+異常搜索
對于占空比隨機MOS驅動信號,小概率的邊沿抖動讓人非常頭疼。此時可以基于信號特征,在大數據內搜索上升/下降時間異常的信號,如下圖,基于當前屏較長時間的波形做測量統計,從測量結果上升沿時間可知---當前值20ns,最大值130ns,通過搜索標注功能,將上升沿130ns的異常波形搜索出來(MOSFET開關轉換時,上升/下降沿會出現偶發性抖動)。

圖3 測量統計+搜索標注捕獲上升沿異常波形

注意:這里的難點并不在于功能的有無,而在于示波器存儲深度的大小。如果存儲深度不夠,針對這么長時間的波形捕獲早已完全失真,異常搜索也無從談起。
問題三:如何快速分析MOSFET導通關斷時的波形細節?
MOSFET的工作原理如圖4,柵源之間加正電壓VGS及在漏源之間加正電壓VDS,則產生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。
若先不接VGS(即VGS=0),在柵與源極之間加一正電

圖4MOSFET開關器件


示波器通道1、通道3分別測試MOS管VGS、VDS的導通關斷波形,如圖5:
使用雙ZOOM功能,將VGS的導通區、關斷區的波形分別在ZOOM1和ZOOM2縮放,可以同時觀察導通、關斷區的波形細節,察看其振蕩情況,幅值、邊沿等,便于分析問題。另外,結合電流探頭,可通過面積積分分析MOSFET 的啟動時間(Ton)和關閉(Toff)時間有關的功率損耗。


圖5VDS導通關斷波形分別在ZOOM1、ZOOM2顯示

問題四:如何使用示波器快速測量開關電源紋波?
傳統的測試方法一般是這樣的:選擇輸入通道——【通道耦合】設置為“AC”——帶寬限制20M開啟——探頭比例設為X1檔——調節垂直檔位到合適值——調節時基——點擊【measure】——選擇峰峰值、有效值測量項,整體測試步驟繁瑣。
現在只要經過簡單的設置,測試方法就變成這樣的:【AutoSetup】——得到答案。
實例測試如下:
1、 使用ZDS4054 Plus示波器,測量Demo板的3.3V電源紋波,如下圖6所示,注意使用彈簧地接地,并使用X1檔位。


圖6接線圖

2、選擇輸入通道(這里為通道【1】),將【通道耦合】選擇“AC”。
3、點擊【Utility】進入系統設置界面,點擊【系統】后點擊【自動捕獲】,此時可選擇通道耦合為“Keep”。
4、點擊【Auto Setup】,一鍵捕獲電源紋波,如圖7所示。


圖7 自動捕獲方式


5、后續的電源紋測試捕獲只需按【Auto Setup】即可實現。
問題五:如何測試開關電源開關損耗功率、瞬時功率、功率因數等參數?
波形自定義運算:ZDS4000系列示波器除支持簡單的加減乘除積分微分運算外,還支持自定義波形表達式運算,如圖8,1通道是電源的輸入電壓波形,2通道是電流波形,只需表達式Intg(CH1*CH2)就可以直接得到能量曲線。另外,如電壓、電流的相位角、功率因數、瞬時功率


圖8 波形自定義運算

問題六:如何定位分析開關電源調試環節的高頻干擾或噪聲?

FIR硬件實時濾波:FIR濾波是低通濾器,支持每通道頻率范圍50HZ~200MHZ任意可調,特別適用于過濾掉無用信號,觀察特定帶寬的場合,如可通過示波器4Mpts的FFT準確分析電源的干擾噪聲,用FIR硬件濾波器將干擾過濾,察看隔離干擾后波形效果,非常適用于電源開發環節對紋波、PWM高頻信號的調試。


總結
ZDS4000系列示波器基于512Mpts存儲深度,支持24種測量參數同屏顯示,結合模板觸發、異常搜索、標注及雙ZOOM等分析插件能夠快速定位到我們感興趣的波形,極大的提高了電源測量分析的便捷性和高效性。

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