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力科示波器基础应用系列之六——开关功率器件的测试

尽管大多数工程师设计或测试的产品都非功率器件,但想必几乎每位工程师都碰到过需要验证产品电源部件的质量。这篇技术文章就功率器件设计问题和电源器件的黑盒测试问题给出一些测试建议。讨论的内容包括开关电源随负载或传输线变化的响应,验证功率器件的SOA(安全工作区)等。

现今电子行业所使用的电源绝大部分都是开关电源。开关电源中的输出功率是依靠一系列的门驱动脉冲来控制的,当负载增大需要更多的功率输出时,控制输出电压的反馈回路会调整门驱动脉冲的宽度(脉冲宽度变宽);相反,当负载减小,脉冲宽度会变窄。为了验证供电设备的性能,工程师会做一系列的测试,主要包括安全工作区测试(SOA),功率损耗,上端栅极测量,动态阻抗分析,控制环路响应,电源输出纹波,线电流谐波,功率因数,实际/视在功率等等。

测量电源随负载变化的响应

不论是电源设计工程师还是在他们的产品中使用电源部件的工程师,他们关心的首要问题就是,电源跟随负载变化的响应情况如何?图1中显示的是当负载减小时电源性能变化的分析,这种情况和增加负载时是类似的。右下角的时基标签显示当前的时基范围是 1ms/division,所以屏幕显示的信号总时间长度是10ms,采样率是1.0 GS/s,对于开关电源信号来说这种采样率已经足够了,屏幕显示的采样点数量是10MSamples(标签显示“10MS”)。

图 1:  最上栅格捕获了10ms门驱动脉冲波形。第二个波形显示对于门驱动脉冲所有脉宽的跟踪值。第三和第四个波形是对于门驱动脉冲信号在不同负载状态下的放大波形

图1中最上面栅格显示的是示波器捕获的门驱动脉冲,负载变化前的时间是1ms,变化后的时间大概是9ms。栅格下面黄色的小三角标识,指示的是触发位置。在触发位置前和触发位置后大概半个栅格的内置,有两部分高亮的波形,其中红色高亮的部分的放大波形在第三个栅格中显示,紫色高亮的波形在底部栅格显示。这两个放大的波形显示的是负载变化之前(红色)和负载变化大约500us之后(紫色)的门驱动脉冲宽度。放大的波形中,我们用肉眼即可观察到负载大时电源输出更多功率(脉冲宽度更宽),负载减小时输出功率更小(脉冲宽度减小)。

以上的讨论是基于肉眼观察得出的,电源输出功率对于负载变化的响应可以从图1中的第二条蓝色曲线更深入的分析。这条曲线是对于门级驱动脉冲宽度值的跟踪曲线。数字示波器最擅长显示基于时间的一系列数值,这些数值不一定必须是电压vs时间或者电流vs时间。在上面的电源测试案例中,工程师其实最关心的是:“电源的控制回路是如何响应外接负载的变化的?”基于此,蓝色的跟踪曲线更能够说明问题。刚开始的1ms时间内,门驱动脉冲宽度较大,随后由于负载变化,脉冲宽度急剧减小,然后又增大出现一个小的尖峰,接着回落一些,随后缓慢增大,而后稳定于新负载值。电源设计工程师可以使用数字示波器的这一测试功能,比如,还可以跟踪脉冲边沿的下降时间、波形最小值等等,工程师如果想要对控制回路的响应特性进行调试,可以先将这一波形保存下来,然后重新改进电源控制回路设计,然后再重复进行测量,将两次的测量结果做比较,验证调试的效果。必要的时候还可以将两条跟踪曲线相减,可以更直观得看到差别。数字示波器的这一功能,能够将开关电源控制回路的阶跃负载变化响应变得可视化,并进行精确测量,验证电源特性。

测量电源安全工作区(SOA)

不管是电源的设计者还是将电源器件集成到产品中的工程师,都需要保证电源在不同的工况下能够工作在安全区内。另外,也要求电源不会输出过高的电压/电流脉冲。工程师还需要确定缓冲二极管可以正常工作。测量SOA时,示波器的一个通道测量开关电源器件的电压值,另一个通道测试线路流过的电流。然后根据捕获的电压vs时间波形和电流vs时间波形,绘出电压vs电流的XY图。注意到图2中时基标签标明当前采集时间是2 msec/div,采样率100 MS/s,总的采样点为2 MS (megasamples)。

图2:上图中,黄色曲线为电压vs时间。蓝色为电流曲线。XY图的横轴为电压值,纵轴为电流值

进行SOA测试时,“不安全”的部分位于XY图中右上角的采样点。这些采样点电压值和电流值都很高。使用力科示波器进行SOA测试时,用户可以在XY图上放置一个游标,将游标移至感兴趣的采样点位置,屏幕右下角将会显示游标位置的电压和电流vs时间的值。这一功能对用户进行SOA测试非常方便。仪器刚开始采集到的SOA不安全采样点可能意味着浪涌电流的问题,或者之后遇到的不安全采样点问题,可能意味着对于负载突然变化的阶跃响应问题。

其它测量

此文不太可能覆盖到所有的开关电源测量项。如果您要了解更多测量案例请登录www.lecroy.com。网站上的测量案例包括瞬时功率,功率损耗,动态电阻值,实际功率和视在功率,线电流谐波、怎样使用脉宽调制分析(图1)测试电源软启动过程和其它一些类型的测量等。

所有这些测量案例都基于测量功率器件的电压和电流值。其中,最关键的一个环节就是使用最合适的探头进行安全准确的测量。力科提供了大量可选的解决方案,电流探头(最大500A)和电压探头(最大20kV)。在一些应用场合,需要对浮地电压进行测量,可以选用ADP300(20MHz带宽)和ADP305(100MHz)的高压差分探头,最大测量1.4kV差分电压值。在其他一些测试场合,工程师往往需要测试大电压上叠加的小信号值,在这些案例中可以使用前端差分放大器。力科DA1855A提供业内领先的100,000:1 CMRR和超快的过载恢复能力。

总结

设计功率器件需要的测试项目很多,同样集成功率器件也需要测试电源系统。使用力科示波器的上述测试项目和功能能够大大缩短测量时间,简化测量过程,加快产品的设计周期的同时不至于漏掉任何一个电源的缺陷,增加设计的可靠性。

(美国力科公司北京代表处 马亦飞 译)

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