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2018.03.22
示波器在电源测试环节的典型应用

作者:博宇科技 来源:致远电子


测试电源主要是针对MOSFET做测试,具体的测量项目多种多样。常规VGS、VDS的幅度测量包含幅度、高、低、最大值、最小值、RMS、峰峰值、正/ 负过冲、平均值、周期平均值、周期RMS测量,时间测量也有周期、频率、上升/ 下降时间、正/ 负占空比、正/ 负脉宽、突发宽度、延迟、相位等多种参数、有时还需同时监控开关损耗、漏电流等测试项……

如果只能同时测量4-8个参数则局限太强,此时的参数应该越多越好,这也是我们起初设计示波器时考虑让24项参数可以同屏显示的初衷。

图1VGS、VDS测量参数


问题二:在MOSFET调试中,如何捕获偶发的毛刺信号?
MOSFET的测试开关瞬间偶尔会碰到毛刺信号,无论是小概率的猝发还是边沿的抖动,都可能对电路造成误动作,下面介绍两种捕获小概率异常的方法。
1. 无限余辉+模板触发
如果事先无法判断周期性信号内偶发异常的概率和特征,可以先用示波器的余辉功能查看毛刺轨迹,然后利用模板触发将异常信号隔离出来。


2. 测量统计+异常搜索
对于占空比随机MOS驱动信号,小概率的边沿抖动让人非常头疼。此时可以基于信号特征,在大数据内搜索上升/下降时间异常的信号,如下图,基于当前屏较长时间的波形做测量统计,从测量结果上升沿时间可知---当前值20ns,最大值130ns,通过搜索标注功能,将上升沿130ns的异常波形搜索出来(MOSFET开关转换时,上升/下降沿会出现偶发性抖动)。

图3 测量统计+搜索标注捕获上升沿异常波形

注意:这里的难点并不在于功能的有无,而在于示波器存储深度的大小。如果存储深度不够,针对这么长时间的波形捕获早已完全失真,异常搜索也无从谈起。
问题三:如何快速分析MOSFET导通关断时的波形细节?
MOSFET的工作原理如图4,栅源之间加正电压VGS及在漏源之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。
若先不接VGS(即VGS=0),在栅与源极之间加一正电

图4MOSFET开关器件


示波器通道1、通道3分别测试MOS管VGS、VDS的导通关断波形,如图5:
使用双ZOOM功能,将VGS的导通区、关断区的波形分别在ZOOM1和ZOOM2缩放,可以同时观察导通、关断区的波形细节,察看其振荡情况,幅值、边沿等,便于分析问题。另外,结合电流探头,可通过面积积分分析MOSFET 的启动时间(Ton)和关闭(Toff)时间有关的功率损耗。


图5VDS导通关断波形分别在ZOOM1、ZOOM2显示

问题四:如何使用示波器快速测量开关电源纹波?
传统的测试方法一般是这样的:选择输入通道——【通道耦合】设置为“AC”——带宽限制20M开启——探头比例设为X1档——调节垂直档位到合适值——调节时基——点击【measure】——选择峰峰值、有效值测量项,整体测试步骤繁琐。
现在只要经过简单的设置,测试方法就变成这样的:【AutoSetup】——得到答案。
实例测试如下:
1、 使用ZDS4054 Plus示波器,测量Demo板的3.3V电源纹波,如下图6所示,注意使用弹簧地接地,并使用X1档位。


图6接线图

2、选择输入通道(这里为通道【1】),将【通道耦合】选择“AC”。
3、点击【Utility】进入系统设置界面,点击【系统】后点击【自动捕获】,此时可选择通道耦合为“Keep”。
4、点击【Auto Setup】,一键捕获电源纹波,如图7所示。


图7 自动捕获方式


5、后续的电源纹测试捕获只需按【Auto Setup】即可实现。
问题五:如何测试开关电源开关损耗功率、瞬时功率、功率因数等参数?
波形自定义运算:ZDS4000系列示波器除支持简单的加减乘除积分微分运算外,还支持自定义波形表达式运算,如图8,1通道是电源的输入电压波形,2通道是电流波形,只需表达式Intg(CH1*CH2)就可以直接得到能量曲线。另外,如电压、电流的相位角、功率因数、瞬时功率


图8 波形自定义运算

问题六:如何定位分析开关电源调试环节的高频干扰或噪声?

FIR硬件实时滤波:FIR滤波是低通滤器,支持每通道频率范围50HZ~200MHZ任意可调,特别适用于过滤掉无用信号,观察特定带宽的场合,如可通过示波器4Mpts的FFT准确分析电源的干扰噪声,用FIR硬件滤波器将干扰过滤,察看隔离干扰后波形效果,非常适用于电源开发环节对纹波、PWM高频信号的调试。


总结
ZDS4000系列示波器基于512Mpts存储深度,支持24种测量参数同屏显示,结合模板触发、异常搜索、标注及双ZOOM等分析插件能够快速定位到我们感兴趣的波形,极大的提高了电源测量分析的便捷性和高效性。

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