DPO&MSO4000 SMPS Training

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前导杨
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1 创新的自动功率电子分析与测试方案

2 开关电源 (SMPS) 技术的发展趋势效率越来越高功率密度越来越高瞬时负荷低电压, 高电流宽带供电技术符合 EN A14 标准

3 开关电源设计中的挑战提升开关电源效率降低开关损耗最大限度地降低磁性器件的功率损耗需要更快的控制环路响应提高开关电源系统可靠性海量数据分析符合宽带技术标准需要简便易用可靠的工具, 定位问题

4 开关电源设计中的测试需求国家和地区电源质量标准电源的功率电平输出纯度电源线的谐波反馈开关损耗调制分析等等从历史上看利用万用表进行静态电流和电压测量通过 PC 或计算器进行麻烦的计算今天示波器成为首选电源测量平台

5 如何有效执行电源设计测量对习惯使用示波器进行高带宽测量的工程师来说, 电源测量频率相对较低, 似乎非常简单事实上, 电源测量也有很多高速电路设计人员从未见过的一系列挑战经过开关设备的电压可能会非常大, 而且是浮动的, 即没有参考接地信号的脉宽周期频率和占空比会变化, 必须如实地捕获波形, 分析其不理想特点因此必须考虑以下因素 : 是否提供安全精确的电压和电流探测解决方案? 是否有一种快速方式, 调节探头的不同延迟? 是否有使探头偏置达到最小的有效流程? 仪器能否配备充足的记录长度, 以高分辨率捕获很长的工频波形?

安全准确地探测电压和电流波形图中, 在范围在几 khz 到几 MHz 的时钟驱动下, 金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET) 控制着电流然而 MOSFET 没有连接到交流电源接地或电路输出接地上因此, 不可能使用示波器进行接地参考电压测量, 因为把探头的地线连接到任何 MOSFET 端子上都会使通过示波器接地的电路短路如何有效的测量 Vds, 即 MOSFET 漏极和源极端子中的电压

6 安全准确地探测电压和电流波形图中, 在范围在几 khz 到几 MHz 的时钟驱动下, 金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET) 控制着电流然而 MOSFET 没有连接到交流电源接地或电路输出接地上因此, 不可能使用示波器进行接地参考电压测量, 因为把探头的地线连接到任何 MOSFET 端子上都会使通过示波器接地的电路短路如何有效的测量 Vds, 即 MOSFET 漏极和源极端子中的电压 (Vds 可能位于几十伏到几百伏电压的顶部 )? 浮动示波器的机箱接地绝对不要采用这种方式, 因为这种非常不安全, 会给用户被测设备和示波器带来危险使用传统无源单端探头, 把地线相互连接起来, 使用示波器的通道匹配功能这种测量方式称为准差分测量但是, 无源探头与示波器的放大器结合使用时, 不能提供充分阻塞任何共模电压的共模抑制比 (CMRR) 尽管用户可能很想使用这种方法, 因为可以使用已有的探头, 但它并不能准确地测量电压使用真正差分探头高压差分探头 ( 如泰克 P5205) 可以准确安全地测量 VDS 无源元件有源元件磁性元件时钟简化的开关电源视图门漏极源极 TP1 TP2

有可能破坏电路将示波器的公共端接到逆变器上部的栅极可以使栅极驱动信号滞后, 阻碍器件的关断并破坏输入桥这种故障通常还会在工作台上出现小火花,

7 安全准确地探测浮动电压危险! 分布电容和电感还可能带来原本没有的振铃!!!! 即便示波器处于浮动状态, 寄生电容也会形成交流分压器从而增加测量的误差注意 : 回动的探头引线会给栅极增加 >100 pf 的电容, 有可能破坏电路将示波器的公共端接到逆变器上部的栅极可以使栅极驱动信号滞后, 阻碍器件的关断并破坏输入桥这种故障通常还会在工作台上出现小火花, 很多功率电子器件的设计人员都可以作证示波器在没有接地的情况下, 其电磁兼容特性降达不到设计要求, 可能干扰待测电路或受到空间电磁波的干扰, 影响测量结果! 不可用剪断示波器接地线的方法进行差分测量! 不可使用隔离变压器进行差分测量!

8 消除电压探头和电流探头之间的时滞每只电压探头和电流探头都有自己的特性传播延迟电流探头和电压探头之间的延迟差称为时滞, 会导致幅度和定时测量不准确必需了解探头的传播延迟对最大峰值功率和面积测量的影响, 因为功率是电压和电流的乘积如果两个相乘的变量没有完美对准, 那么会得到不正确的结果在探头没有正确校正时滞时, 测量精度会下降, 如开关损耗时钟

9 偏移实例 5.6% 误差 9.4 ns 偏移 W 校正偏移后 W

10 解决方案 : 消除电压探头与电流探头之间的偏移 Deskew 7.40 ns 泰克 DPO3/4000 示波器, 带有 TekVPI 探头和偏移校正套件 DPO/MSO4000 以及 DPO3000 继续提供泰克独有的强大静态时间偏移校正功能 (+/-100ns) 支持所有泰克探头

11 消除探头偏置差分探头一般会有较小的电压偏置这会影响精度, 在继续测量前必须消除这个电压偏置大多数差分电压探头拥有内置的 DC 偏置调节控制功能, 可以相对简单地消除偏置在预热后 : 把示波器设置成测量电压波形的平均值选择实际测量中将使用的灵敏度 ( 垂直 ) 设置在不存在信号的情况下, 把平均电平调节到 0 V ( 或尽可能接近 0 V) 类似的, 必需在执行测量前调节电流探头在消磁后 : 把示波器设置成实际测量中将使用的垂直灵敏度在不存在信号的情况下, 关闭电流探头把 DC 平衡调节到零把平均值调节到 0 A 或尽可能接近 0 A 注意, 某些探头 ( 如支持 TekVPI 的 TCP0030) 内置了自动消磁 / 自动清零程序, 用户只需在探头 comp 盒上按一个按钮就可以了

12 示波器性能考虑因素上升时间开关信号上升时间可能会相当快为准确地进行测量, 测量系统 ( 示波器 + 探头 ) 的上升时间应该快五倍测量系统 = 上升时间信号上升时间 5 测得的上升时间测量系统上升时间 = 信号上升时间实际值测得值

13 示波器性能考虑因素采样率采样率越快, 分辨率越高, 波形越详细记录长度确定在采样率一定时捕获多长时间实例 : 60 Hz 的一半周期是 8 ms 多采样率为 1 GS/s 时, 需要 8 M 点的记录长度时间 = 记录长度采样率

14 记录长度在电源测量中的作用有源功率因数校正电路 APFC SMPS 改变脉宽, 以在输出上保持恒定的电压经过开关器件的电流会变化示波器捕获测量期间事件的能力取决于使用的采样率及存储采集的信号样点的存储器的深度 ( 记录长度 ) 存储器的填充速度与采样率直接成正比在采样率设置得足够高, 能够以高分辨率详细地信号时, 存储器会迅速填充对许多电源测量, 必需捕获 1/4 周期或 1/2 周期 (90 度或 180 度 ) 的工频信号 ; 有些测量甚至要求捕获整个周期泰克 3000 系列示波器标配 5M 样点的记录长度, 轻松地满足了这一需求电压电流 PWM 信号对 50Hz 工频供电来说,10ms 的记录长度可以保证捕获所有开关变化

15 确定 DSO 记录长度的参数取样速率应该至少是测得的模拟信号带宽的 5 倍一般在一个边沿上需要 5-8 个样点 ; 100 ns 转换至少要求 50 MS/s 的取样速率单次采集的记录时间与记录长度直接成正比记录时间 ( 秒 ) = 记录长度 ( 样点数量 ) 取样速率 ( 样点 / 秒 )

16 计算记录长度为同时查看 50 Hz 工频信号 ( 一个周期 ), 和 100 ns (8 个样点 / 边沿 ) 边沿的 PWM 信号每条通道 2MB 记录长度 1.25GSa/s 取样速率的示波器可以满足这一要求记录长度 ( 样点数量 ) = 20ms 12.5 ns = 1.6MB

17 利用 Wave-Inspector 进行电源系统查障比长记录长度更重要的是提供能够利用所有这些数据的工具 4000 系列的 Wave Inspector 是业内第一套为轻松处理长记录设计的工具 Wave Inspector 对示波器就象是对互联网专用前面板控制功能 : 缩放平铺播放 / 暂停设置 / 清除标记在标记之间导航搜索和标记强制外圈反馈旋转得越远, 速度越快反向旋转旋钮, 改变方向或减慢速度异常直观大大改善了几乎每个客户都会关注的操作便捷性!

18 你了解 Wave-Inspector 吗?! 针在哪里? 3m 左右, m 左右

19 利用 Wave-Inspector 进行电源系统查障现代数字示波器可以捕获海量数据, 这既是好事, 也是坏事您想要所有数据, 正因如此, 您需要使用示波器但直到现在, 在庞大的数据中找到所需的数据不亚于大海捞针, 是一个非常耗时麻烦的过程配有 Wave Inspector 的 DPO4000 系列为您提供了所需的功能, 可以高效地满足您的需求, 而这种效率是以前的示波器所不能想象的

利用 Wave-Inspector 查找门驱动脉冲使用 3000 系列全部 5M 点记录长度, 以 8ns 分辨率捕获 AC 电源两个周期期间的每个门驱动脉冲上面的窗口显示了整个采集下面的窗口显示了放大的采集部分这一采集包含大约 2,000 个脉冲在输入几个简单的搜索参数后如通道 1 上的正脉冲, 宽度小于 1.

20 利用 Wave-Inspector 查找门驱动脉冲使用 3000 系列全部 5M 点记录长度, 以 8ns 分辨率捕获 AC 电源两个周期期间的每个门驱动脉冲上面的窗口显示了整个采集下面的窗口显示了放大的采集部分这一采集包含大约 2,000 个脉冲在输入几个简单的搜索参数后如通道 1 上的正脉冲, 宽度小于 1.2μs, 门限为 7 V, Wave Inspector 会迅速识别满足标准的 79 个脉冲, 并在格线顶部用白色三角形标出了这些波形然后通过再次使用前面板 Previous 和 Next 按钮, 我们可以迅速从一个事件跳到另一个事件以前需要几个小时完成的工作, 现在只需几秒钟就可以完成使用 Wave Inspector 在包含数千个脉冲的长 5M 样点采集中找到发生的 79 个宽度小于 1.2us 的脉冲

21 电源质量测量基础知识事实上, 输入电压和电流波形并不是完全一样的实际环境中的电源线永远不会提供理想的正弦波 SMPS 是相对于电源的非线性负载 SMPS 在输入电流波形上生成谐波, 不得违反 EN 之类标准电源质量测量包括 : 真实功率无功功率视在功率功率因数波峰因数电流谐波测量 THD

22 电源质量测量视在功率 = I rms * V rms 虚数轴真实功率无功功率实数轴功率因数 = 真实功率视在功率波峰因数 = V peak 带有 DPO4PWR 的泰克 MSO/DPO4000 示波器 V rms

23 谐波和预一致性测量必须捕获直到 40 阶谐波对比谐波和 THD 与行业标准 ( 如 EN ) 带有 TDSPWR3 的泰克 TDS5000B 示波器

24 电源质量测量 AC 输入电压和电流

25 电源质量测量 AC 输入电压和电流

26 输入电路部分功率测量为了得到视在功率, 我们将测量到的有效值相乘, 得到视在功率 =215.7 V* 158.8mA =34.3 W 为了得到有效功率, 我们使用 DPO3000 的数学运算 (Math) 按钮, 对电压和电流的波形逐点相乘, 得到有效功率 =18.6 W 注意, 这里使用的是相乘后的平均值 (Mean) 而不是有效值 (RMS) 来得到有效功率, 这是根据前面所叙述的平均功率的定义来的这样, 我们很容易的得到该设备的功率 PF=18.6 W / 34.3 W=0.54, 从而为设计功率校正电路 PFC 提供数据对三相电路的功率测量 --- 单路法 ( 适用平衡负载 ) 通过一台 DPO3000 示波器, 测量出平衡负载的一相的 RMS 电压和 RMS 电流, 乘上即可的到三相的全部功率对三相电路的功率测量 --- 双功率计法不同于双功率计法的名称, 实际测量中只需要一台 DPO3000 示波器即可, 电压测量的公共端接在三相中的任意一相, 比如 B 相, 然后测量 B 相同 A 相和 C 相的电压差以及 A 相和 C 相的电流 Wtotal=W1+W2 需要注意的问题 : 电压探头的接地和电流探头的方向

27 谐波预一致性测试标准 EN 和 MIL-STD-1399 通过 / 失败

28 谐波测量图 AC 输入

29 谐波测量表 AC 输入

30 Buck 测试 ---- 记录长度很重要! 由于存在工频调制因此至少捕获 1-2 个工频调制周期 ( 一个工频调制周期为 10ms) 是必须的 10K 记录长度时 Buck 电流完全失真

31 Buck 测试 ---- 记录长度很重要! 5M 记录长度可以完美呈现 Buck 电流的细节!

32 开关设备探测转换速率安全工作区和开关损耗测量差分探头输出 AC 输入电流探头控制

33 有源元件测量 : 开关设备晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量最大常用测量 : 闭点损耗开点损耗功率损耗动态开点电阻安全工作区理想的开关 V OFF ON OFF ON I OFF 实际的开关 V OFF ON OFF ON OFF 开关 I

34 开关损耗基础知识可以使用下面的公式估算转换过程中的能量损耗 : 其中 : E on t 1 t o v a ( t) i ( t) dt E on 是开关在转换过程中损耗的能量 a a (t) i a (t) v a (t) OFF ON 是流经开关的瞬时电压 v a (t) 是流经开关的瞬时电流 t 1 是转换结束时间 i a (t) t 0 是转换开始时间 t 0 t 1 E off 的公式类似

35 开关损耗测量简单的开关损耗测量是测量流经开关设备的电压及流经开关设备的电流电源分析软件将计算开点损耗闭点损耗和传导损耗警告 : 电压波形和电流波形之间的定时必须准确带有 DPO4PWR 模块的泰克 MSO/DPO4000 示波器

36 安全工作区测量检定设备的工作区域使用下面的公式计算瞬时功率 : P n = V n I n 其中 : P n 是瞬时功率 V n 是电压 I n 是电流 n 是样点测量变量可以包括不同的负载工作温度高和低线路输入电压等等带有 DPO4PWR 的泰克 MSO/DPO4000 示波器

37 有源元件测量 : 选择适当的测量解决方案示波器为处理开关信号频率成分提供足够的带宽和上升时间快速采样率, 捕获跳变深记录长度, 长采集信号源模拟门驱动信号可以调节占空比边沿跳变时间和频率许多信号源需要 12V - 15V 输出探头 AC/DC 电流探头差分探头, 进行浮动测量

38 开关设备电压转换速率测量关闭 ΔV/Δt = 263.5kV/s 电流电压瓦

39 采用数学运算波形的开关功率 mw 处的闭点最大功率峰值电流电压瓦

40 开关损耗测量开点损耗在开关设备从非传导状态变成传导状态时的能量损耗传导损耗开关设备在饱和时的损耗闭点损耗在开关设备从传导状态变成非传导状态时的能量损耗

41 开关电源和能量损耗测量总和 = 开点损耗 + 闭点损耗 + 传导损耗

42 RDS ON 或 Vset 的测试测试技巧 P5205 预热后不接信号短接调整直流偏置设 Ids 为触发源 P5205 接 Vds 在 DUT 不通电的条件下在做一次直流偏置调整选择高分辨率模式通电后尽可能垂直放大 Vds( 以通道不饱和为基准 ) 此 MOSFET 的 Vset 为 1.3V

43 安全工作区模板测试用户自定义模板电流轴黑模板电压轴

44 安全工作区模板测试通过 / 失败结果工作余量

45 动态负载时的开关损耗峰值功率定位利用 Wave Inspector 技术捕捉负载变化事件追踪瞬态功率值将瞬态功率点与相应的时域波形对应分析放大波形细节

46 开关电源及其测量问题 - DC 输出部分 L N G D G 40KHz CLOCK S DC 输出部分输出纹波

47 输出纹波测量低频纹波 : 工频的 2 倍频 (100Hz) 高频纹波 : 脉宽调制开关电路带来的纹波开关噪声 : 与 PWM 信号同频的噪声随即噪声 : 工频或者开关频率相关的噪声

48 输出纹波测量纹波的测量一般使用峰峰值一般使用 20MHz 带宽的示波器进行测量纹波的典型值是输出电压的 1-2%

49 输出纹波测量 - 方法 1 如果要带载测试, 必须使用示波器探头时, 必须注意 : 尽量减少示波器探头接地线的影响 ( 使用 BNC 到探头尖转换或者至少拔掉探头帽, 去掉探头地线需要并联 0.1uF 电容示波器良好接地测量共模噪声大小

50 输出纹波测量 - 方法 2 测量结果应该 X 2 示波器良好接地电容 C 为低 ESR 型, 不小于 10uF

51 输出纹波测量 - 专门的测试夹具比如, 特制的测试盒, 测试板 BNC 测试线等

52 在 DC 输出上进行纹波测量自动统计测量

53 开关电源及其测量问题有功功率视在功率功率因数电流谐波总谐波失真 (THD) L N G D 铁心损耗 B-H 曲线分析 G S 调制分析 40KHz CLOCK 开关损耗导通电阻 SOA

54 电感 / 变压器的测试电感 / 变压器铁心损耗在线电感值 B-H 曲线分析实际上 B=( V (t) dt)/n*s; H=I*N/L 的 XY 显示 I core V Core Time

55 DPO4/3000 的 B-H 曲线分析为提高性能而设计的磁性元件可能带来功率损耗了解这些元件的限制对于电源系统安全工作非常重要目前大部分测量仪器还不能解决这些问题

56 分析 SMPS 的调制效应数字化示波器在电源测量领域中非常常见, 但数字荧光采集技术在调试时有着很大的差异, 特别是在识别开关电源的调制效应过高时 DPO 系列的波形捕获速率要比典型的数字存储示波器 (DSO) 高出许多倍数字荧光显示可以更简便地实时查看被调制波形 DPO 显示屏会加强信号曲线经过频次最高的区域, 这在很大程度上与模拟示波器类似调制要比连续重复的主要波形暗

57 调制分析探测探测开关设备的控制信号电压差分探头输出 AC 输入控制电流探头

58 使用 DPO 系列查看调制影响调制在控制环路的反馈系统中具有重要意义调制太多会导致环路变得不稳定在调制频次较低的区域中, 波形较暗控制着电源中电源模式控制环路输出的被调制信号

59 开点调制分析开关设备的控制信号电压

60 开点调制分析开关设备电流, 光标读取正脉宽

61 开点调制分析开关设备电流, 光标读取电流幅度

62 如何应对电源设计中的 PMbus 和 SMbus 挑战

63 低速串行总线在电源中的演变 I 2 C: 在 1980s 由飞利浦公司创立 SMbus: 由 I 2 C 演变而来, 增加了 SMBALERT 中断信号线 SBS:Smart Battery System, 基于 SMbus 在 1996 由 Intel 和 Duracell 创立负责智能充电器智能电池和智能选择器之间的通信监控电池的容量和条件属性设置充电器的输出电压和电流 PMbus:Power Management bus 在 2004 创立也是基于 SMbus 总线的包含可选的控制线和写保护信号线 (write-protect) 允许管理和控制电源子系统

64 嵌入式系统实例串行通信, 控制锂电池充电器概述锂电池充电非常关键电池温度应控制充电速度目标测量充电器对温度变化的响应确认电流变化期间的控制稳定性挑战解码 I 2 C 消息, 确认读数正确捕获整个电流校正周期中的数据

65 充电器操作概述数字信号驱动到电源晶体管的门上临时标记在微型控制器软件中插入在充电器进行电流控制校正时, 可以测量系统响应温度电池上采样的模拟读数电压和电流电源晶体管的电压电源晶体管的电流对充电电流进行脉宽调制控制解码的 I2C 总线通过标为 DATA 和 CLOCK 的两条数字线路监测解码的数据显示在电流曲线下面, 简化了通信流的调试

66 在温度变化导致的电流变化期间充电器的运行情况 1A 1B 周期屏幕显示充电器 4 秒中的运行情况, 显示对温度变化作出响应完整的视图激励 ( 温度 ) 通信 (I2C) 对充电器开关电源的影响 ( 电压和电流 ) 监测控制环路中的线路 ( 更新 ) 对变化的响应温度变化由充电器读取

67 从初始读数中解码 I 2 C 数据 2B 2A 放大的总线解码位置一直保持查看总曲线时间读命令 (0x17) 原来的温度值 (0x0BB8) 先从低比特开始还没有变化这个 I2C 读数是在电池保护电子器件测量新温度之前获得的因此, 数据还没有变化 (0x0BB8)

68 在读取温度后解码 I 2 C 数据 3A 3B 下一个样点上放大的位置发生在电池保护电子器件测量温度变化之后读命令 (0x17) 更新的温度值 (0x08D4)

69 电流逐渐下降 4A 放大的视图获得 I2C 读数之后的周期中显示了逐渐调节电流电流更新每个 Update 脉冲会递增校正电流, 直到它到达较低温度要求的新的较低值从高到低平稳调节电流电平 ~ 10 ms 间隔 ~ 200 ms 跳变从 ~ 2 A 变成 ~ 0.25 A

70 开关供电电流和电压波形深存储器的好处放大同一捕获数据, 显示详细的电流波形和电压波形完整的视图与模拟信号同时显示数字驱动信号, 因此可以测量驱动延迟和开关时间电流波纹测量结果显示, 在电流电平从高跳变到低期间可以很好地控制电源电感器波纹

71 嵌入式系统实例锂电池充电器应用总结实现的目标测量充电器对温度变化的响应在温度变化大约 200 毫秒后电流变化解码的 I 2 C 数据正确显示了温度确认电流变化期间的控制稳定性电流从 2A 平稳变成 0.25 A 我们了解了哪些内容示波器的 I 2 C 解码功能对观察采用该通信系统的系统具有重要意义单一采集显示了整个变化周期, 同时也显示了开关电源的详细运行情况

(SMPS) 设计广泛的被测设备 (DUT) 连接能力和简便易用性 TekVPI 电流探头 TCP0030 和 TCP0150

72 泰克电源探测解决方案差分探头和电流探头 DPO 系列示波器配有泰克通用探头接口 (VPI) TekVPI 探头用途广泛, 功能丰富, 简便易用 TekVPI 高压差分探头 TDP1000 和 TDP0500 提供了 GHz 性能, 分析开关式电源 (SMPS) 设计广泛的被测设备 (DUT) 连接能力和简便易用性 TekVPI 电流探头 TCP0030 和 TCP0150 杰出的带宽 (DC MHz) 和宽动态范围 ( 几毫安到几百安 ) 分芯结构, 可以更简便更迅速地连接被测设备 (DUT)

的电压在示波器接地的情况下, 安全地测量浮动电路或提升电路从几毫伏到几千伏的宽动态电压范围电流探头 TCPA300 电流放大器配合

73 高压探头和电流探头为测量更高的电流和电压, 可以在配有 TPA-BNC 适配器的 DPO 系列示波器上使用下述 TekConnect 探头高压差分探头电流探头 P 测量高达 1000 VRMS CAT II 的电压 P 测量高达 4400 VRMS 的电压在示波器接地的情况下, 安全地测量浮动电路或提升电路从几毫伏到几千伏的宽动态电压范围电流探头 TCPA300 电流放大器配合 TCP303/TCP305/TCP312 以及独立的 TCP202 变压器和霍尔效应技术增强了 AC/DC 测量功能从几毫安到几千安的宽动态电流范围

74 有问题吗?

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<4D F736F F F696E74202D20D5FBBACFC4FAB5C44C4544B2E2CAD4BDE2BEF6B7BDB0B8> 整合您的 LED 测试解决方案日程安排 LED 背景示波器和探头功率电子的分析与测量小结参考信息 2 Power Measurements for Switch-Mode Power Supplies LED 概述 LED 是英文 Light Emitting Diode 的简称, 是一种具有两个电极的半导体发光器件, 让其流过小量电流就会发出可见光早期的 LED 只能应用于指示灯早期的计算器显示屏和数码手表,