如何使用示波器對電源進(jìn)行測量與分析！

來源：中翔儀器更新時(shí)間：2024-07-13 閱讀：

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源相當(dāng)于有源器件的心臟，源源不斷地為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，電源質(zhì)量的高低，直接影響到系統(tǒng)的性能。功率轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性、低噪聲、低功耗等性能以及產(chǎn)品的上市時(shí)間都要求電源工程師快速精準(zhǔn)地完成測試。

SDS6000 PRO,SDS5000X,SDS2000X Plus 系列示波器提供了電源分析軟件，可以幫助用戶快速輕松地分析開關(guān)電源的效率和可靠性，并根據(jù)電源設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)評估測試結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的測試不僅簡化了電源測試步驟，還縮短了產(chǎn)品電源測試時(shí)間，為最大化研發(fā)效率提供了幫助。

測試工具：

示波器: SIGLENT SDS6104 H12 Pro

? 電源分析選件：SDS6000Pro-PA

? 時(shí)滯校準(zhǔn)板：DF2001A

? 電流探頭: CP5030

? 差分電壓探頭：DPB5150A

電源分析測量環(huán)境

在常見的開關(guān)電源中，三相或單相交流電源輸入經(jīng)過整流濾波電路整流成直流，直流信號通過高頻 PWM（脈寬調(diào)制）控制電路加載到開關(guān)變壓器的初級上，開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)過整流濾波輸出提供給負(fù)載，輸出部分通過一定的電路反饋控制 PWM 占空比以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。常見的開關(guān)電源簡化原理圖如圖 2 所示。

圖 2.開關(guān)電源簡化原理圖

對電源進(jìn)行測量分析，通常會從交流輸入部分、開關(guān)切換部分、頻率響應(yīng)以及直流輸出四部分入手測量。鼎陽科技提供的電源分析軟件，支持對交流輸入的電源質(zhì)量、電流諧波、浪涌電流，對開關(guān)切換的開關(guān)損耗、轉(zhuǎn)化速率、調(diào)制分析、電源抑制比，對直流輸出的紋波、開啟/關(guān)閉時(shí)間、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間、功率效率進(jìn)行快速測量分析，波特圖軟件相配合還可以對電源環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行測量分析，可以滿足大家對于開關(guān)電源的通用測量分析需求。

測量前準(zhǔn)備

1.1

消除探頭偏置和磁場

為了測量被測器件的電壓以及電流，我們會使用到兩根（或者多根）獨(dú)立的電壓探頭和電流探頭。差分探頭和電流探頭，開機(jī)后可能產(chǎn)生失調(diào)現(xiàn)象，存在影響精度的小電壓偏置，應(yīng)該在測量之前消除這一零偏。機(jī)器經(jīng)常使用后，電流探頭傳感器的會有剩余磁場，測量前也先應(yīng)消磁，以提高測量精度。

鼎陽CP5030電流探頭支持消磁調(diào)零，按一下探頭機(jī)身上的Degauss AutoZero按鈕，機(jī)器自動消磁并清除測量系統(tǒng)中存在的任何 DC 偏置誤差，消磁調(diào)零過程成功后，會有成功提示音“嘀嘀”兩聲提示，全程大約耗時(shí)5秒。

鼎陽DP5150A 高壓差分探頭需要手動偏置調(diào)零，操作方法如下：

1) 按住并保持 ATTENUATION BANDWIDTH 兩個(gè)按鍵，插上電源開機(jī)，過載指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)入測試模式，松開按鍵。

2) 該狀態(tài)下進(jìn)入高衰減倍數(shù)偏置調(diào)整，按下 ATTENUATION 按鍵，偏置遞增；按下BANDWIDTH 按鍵，偏置遞減，調(diào)整至合適位置。

3) 按下 AUDIBLE OVERRANGE 按鍵，切換到低衰減倍數(shù)檔位偏置調(diào)整，通過ATTENUATION 和 BANDWIDTH 調(diào)整低衰減倍數(shù)。

4）按下AUDIBLE OVERRANGE按鍵，過載指示燈滅，退出測試模式，偏置調(diào)整結(jié)束。

1.2

消除探頭之間的時(shí)延

由于每一根探頭都有其特性傳播延遲，探頭之間可能存在時(shí)延，從而引起定時(shí)差、相位和功率系數(shù)測量的不準(zhǔn)確。為了達(dá)到更精確的測量效果，在正式測量之前需要對電流和電流探頭進(jìn)行時(shí)延校準(zhǔn)，消除探頭之間的傳播誤差。鼎陽科技提供 DF2001A 時(shí)滯校準(zhǔn)板，可以有效地消除探頭的時(shí)延。

操作方法：將消磁調(diào)零后的電流探頭連接到時(shí)滯校準(zhǔn)板的電流回路、將高壓差分探頭的紅黑探夾分別連接到時(shí)滯校準(zhǔn)板的信號輸入端和接地端，將校準(zhǔn)板上的開關(guān) S1 調(diào)整到SMALL LOOP，并將探頭與示波器相連，這里我們將高壓差分探頭與示波器通道 1 連接，電流探頭與示波器通道 2 連接。連接如圖 3 所示。

圖 3. 探頭與 DF2001A 連接示意圖

進(jìn)入示波器時(shí)滯校準(zhǔn)界面，進(jìn)入路徑為：分析—電源分析—開關(guān)損耗—信號—時(shí)滯校準(zhǔn)，如圖 4 所示，設(shè)置輸入電壓通道和輸入電流道，點(diǎn)擊時(shí)滯校準(zhǔn)，等待校準(zhǔn)完成。

圖 4.示波器時(shí)滯校準(zhǔn)界面

交流輸入分析

在交流輸入端上進(jìn)行電源質(zhì)量測量，測量項(xiàng)目包括電源質(zhì)量分析、電流諧波測量和浪涌電流測量。

2.1

電源質(zhì)量分析

電源質(zhì)量測量是一套標(biāo)準(zhǔn)功率測量，通常在AC線路上輸入執(zhí)行，也可以在器件的AC輸出上，具體測量參數(shù)包括測量電源輸入端的有功功率、視在功率、無功功率、功率因數(shù)、功率相位角、電壓有效值、電流有效值、電壓波峰因數(shù)和電流波峰因數(shù)等電量參數(shù)。

操作方法：用高壓差分探頭DPB5150A測量系統(tǒng)工頻電壓，將紅黑探頭分別接入輸入電源的火線和零線上；使用CP5030電流探頭測量系統(tǒng)工頻電流,將電流鉗夾住輸入端的火線，連接示意和實(shí)際連接分別如圖5、圖6所示：

圖5. 電源質(zhì)量分析連接示意圖

圖6. 電源質(zhì)量分析實(shí)物連接圖

在示波器上調(diào)出功率分析軟件，檢查設(shè)置的輸入電壓源、輸入電流源是否與實(shí)際連接一致，在分析項(xiàng)中選擇電源質(zhì)量，給電源上電后，將測試狀態(tài)打開。測試結(jié)果如圖7所示：

圖7. 電源質(zhì)量分析測量結(jié)果

測量結(jié)果(取36次平均值)如下：

2.2

電流諧波測量

開關(guān)電源一般會生成以奇數(shù)階為主的諧波，倒送回電網(wǎng)。其影響具有累積性特點(diǎn)，隨著連接到電網(wǎng)的開關(guān)電源增加，返回電網(wǎng)的諧波失真的總百分比會上升。由于這種失真會導(dǎo)致熱量在電網(wǎng)的線纜和變壓器中積聚，因此必需使諧波達(dá)到最小。業(yè)內(nèi)制訂了IEC61000-3-2等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)來限制諧波電流發(fā)射。鼎陽科技示波器配備的電源分析軟件只需要簡單的設(shè)置，就可以在系統(tǒng)交流輸入端上進(jìn)行電流諧波測量，并針對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對電源的諧波進(jìn)行預(yù)一致性檢查。

操作方法：保持上述硬件連接不變，在示波器的電源分析項(xiàng)下拉菜單切換為電流諧波，進(jìn)入輸入配置：調(diào)整測量的周期數(shù)，至少顯示一個(gè)完整周期，可以手動調(diào)整也可以指定數(shù)值自動配置，采樣率需要滿足f s ≥ x*40*f Line x>=2。進(jìn)入配置選項(xiàng)：選擇自動獲取線路頻率，以及標(biāo)準(zhǔn)類型（以IEC61000-3-2A為例），執(zhí)行測試。測試結(jié)果如圖8所示。由測量結(jié)果列表得知，電流諧波均滿足IEC61000-3-2A標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8. 電流諧波測量結(jié)果

2.4

浪涌電流測量

在穩(wěn)定狀態(tài)下通過光標(biāo)測量得知該系統(tǒng)輸入電流約1A，如圖9所示。而接通電氣設(shè)備電源時(shí)，在接通的瞬間可能會流過遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定電流的大電流，該電流即成為浪涌電流。電源分析軟件支持測量初次開啟電源時(shí)電源的峰值電流。

操作方法：保持硬件連接不變，在示波器的電源分析項(xiàng)下拉菜單切換為浪涌電流，在輸入設(shè)置中根據(jù)預(yù)期電流大小調(diào)整觸發(fā)閾值（以5A為例），以便捕獲到浪涌電流出現(xiàn)的位置。

圖9.穩(wěn)定狀態(tài)下電流為1.0A

圖10. 浪涌電流為7.421A

將測試狀態(tài)由off調(diào)整為on，根據(jù)提示進(jìn)行操作：關(guān)閉輸入電源，選擇下一步，進(jìn)入Single觸發(fā)模式，邊沿觸發(fā)，觸發(fā)源為電流對應(yīng)的通道；開啟電源，點(diǎn)擊下一步，等待測量觸發(fā)到的波形的測量值，重復(fù)5次操作，取最大值為浪涌電流。如圖10所示，浪涌電流的測量值為

7.421A。

開關(guān)切換參數(shù)測量

在電源的開關(guān)設(shè)計(jì)部分，為了確認(rèn)開關(guān)器件工作在正常范圍內(nèi)，通常需要測量開關(guān)能量損耗大小、開關(guān)轉(zhuǎn)換速率，以及調(diào)制分析等內(nèi)容。

3.1

開關(guān)損耗測量

開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗，在開關(guān)電源中，對MOS管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，需要對寄生電容進(jìn)行充放電，從而引起損耗。開關(guān)損耗常用于量化傳輸?shù)诫娫丛O(shè)備散熱器的功率損耗，工程師也使用這個(gè)參數(shù)評估電源的轉(zhuǎn)化效率，正確分析這些損耗對檢定電源及測量其效率至關(guān)重要。鼎陽科技的電源質(zhì)量分析軟件可以計(jì)算在開關(guān)設(shè)備中的開關(guān)周期內(nèi)耗散的功率。

操作方法：由于測量開關(guān)損耗關(guān)鍵是捕獲到開關(guān)跳變時(shí)的波形，電壓、電流通道的時(shí)間

要對應(yīng)，在測量之前要確定兩通道輸入已經(jīng)進(jìn)行相位校準(zhǔn)。示波器經(jīng)過開關(guān)器件的電壓和流

經(jīng)開關(guān)器件的電流，硬件連接方式如圖11所示。

圖11. 開關(guān)損耗測量連接示意圖

在示波器上設(shè)置電壓參考值與電流參考值。電壓達(dá)到電壓參考值是算作損耗起點(diǎn)，電流低于電流參考值算作損耗終點(diǎn)，若起點(diǎn)在終點(diǎn)之后，則視作無損耗，起點(diǎn)和終點(diǎn)可以通過設(shè)置Gate實(shí)現(xiàn)。用math中的乘法即可表示開關(guān)損耗的功率。能量損耗為乘法結(jié)果的積分。根據(jù)測試結(jié)果可知被測開關(guān)裝置在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的損耗值。

3.2

轉(zhuǎn)換速率測量

轉(zhuǎn)換速率可測量開關(guān)期間電壓或電流的變化速率。給輸入施加上升沿和下降矩形波脈沖時(shí)，表示輸出電壓在單位時(shí)間內(nèi)可發(fā)生什么程度的變化。圖12表示轉(zhuǎn)換速率的定義：

圖12. 轉(zhuǎn)換速率定義

dV/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，測量電源設(shè)備(MOSFET) 的 Vds 的轉(zhuǎn)換速度。

dI/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，測量電源設(shè)備(MOSFET) 的 Id 的轉(zhuǎn)換速度。

操作方法：示波器經(jīng)過開關(guān)器件的電壓和流經(jīng)器件的電流，硬件連接方式與上述開關(guān)損耗測量一致。

3.3

調(diào)制分析測量

調(diào)制分析測量到開關(guān)設(shè)備（MOSFET）的控制脈沖信號，并觀察控制脈沖信號響應(yīng)不同事件的脈沖寬度、占空比、周期、頻率等的趨勢。

操作方法：將高壓差分探頭紅黑表筆分別接到開關(guān)的G端和S端，電流探頭接入開關(guān)的D端，如圖13所示。在示波器上在電源分析選項(xiàng)中的分析項(xiàng)切換為調(diào)制分析，在類型中選擇所關(guān)注的平均值、交流有效值、周期等測量。將測試狀態(tài)調(diào)整為on。

圖13. 調(diào)制分析連接圖

輸出參數(shù)測量

為了評估電源輸出的穩(wěn)定性和噪聲，需要對輸出的紋波、開關(guān)/關(guān)閉時(shí)間、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測量。

4.1

輸出紋波

輸出紋波表示輸出直流電壓的波動量。輸出紋波對負(fù)載設(shè)備的正常工作產(chǎn)生很重要的影響，如果輸出紋波過大，負(fù)載設(shè)備會工作不正常，或者會影響其工作的性能。電源分析軟件中紋波分析能夠測量電源輸出端紋波的當(dāng)前值、平均值、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差和計(jì)數(shù)值。

操作方法：測量輸出紋波只需要使用一根電壓探頭，將電壓探頭調(diào)整為短接地（使用接地彈簧）并調(diào)整為1倍衰減，把電壓探頭連接到系統(tǒng)DC直流輸出上，在示波器上打開電源分析菜單，在分析項(xiàng)中選擇輸出紋波，確定輸入電壓通道與連接一致，然后設(shè)置持續(xù)時(shí)間（調(diào)整時(shí)基），測量在持續(xù)時(shí)間內(nèi)（8-10個(gè)開關(guān)周期）的峰峰值。將測試狀態(tài)調(diào)整為ON，即可測得輸出紋波的平均值為19.343mV。

圖14. 輸出紋波測量平均值19.343mV

4.2

開啟/關(guān)閉時(shí)間

開啟分析可確定開啟的電源達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)輸出 90% 所耗用的時(shí)間。關(guān)閉分析可確定關(guān)閉的電源降至其最大輸出電壓 10% 所耗用的時(shí)間。

操作方法：將電源的DC電壓輸出和AC電流輸入接入示波器，硬件連接如下：

圖15. 開啟/關(guān)閉時(shí)間測量連接圖

在示波器上進(jìn)入電源分析選項(xiàng)，分析項(xiàng)選擇開啟/關(guān)閉；進(jìn)入輸入設(shè)置，本例輸入電壓為C1,輸出電壓C2，輸入類型AC，輸入最大值為220V，輸出穩(wěn)定電壓16V，;選擇測試為開啟或者關(guān)閉即測試開啟時(shí)間或者關(guān)閉時(shí)間，將測試狀態(tài)調(diào)整為ON，根據(jù)提示進(jìn)行一次開關(guān)

電源操作，使用穩(wěn)定觸發(fā)的波形進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

開啟時(shí)間為AC輸入電壓上升至其最大幅度（起始時(shí)間）的10%的時(shí)間與DC輸出電壓上升至其最大幅度（結(jié)束時(shí)間）的90%的時(shí)間差值。關(guān)閉時(shí)間為DC輸出電壓下降至其穩(wěn)定狀態(tài)值（結(jié)束時(shí)間）的10%的時(shí)間與輸入電壓下降至其正峰值（或負(fù)峰值，以先發(fā)生的為準(zhǔn)）起始時(shí)間的 10% 以下的時(shí)間差值。測量結(jié)果如下所示，開關(guān)的開啟時(shí)間為26.62ms，關(guān)閉時(shí)間為89.34ms。

圖16. 開啟時(shí)間測量為26.63ms

圖17. 關(guān)閉時(shí)間測量為89.34ms

4.3

瞬變響應(yīng)時(shí)間

瞬變響應(yīng)分析可確定電源的輸出電壓對輸出負(fù)載變化的響應(yīng)速度。該時(shí)間從輸出電壓首次退出穩(wěn)定帶開始，到最后一次進(jìn)入穩(wěn)定帶為止。

操作方法：將電源的DC電壓輸出和DC電流輸出接入示波器，硬件連接如下：

圖18. 瞬變響應(yīng)時(shí)間測量連接圖

配置初始電流和改變負(fù)載后的穩(wěn)定電流。點(diǎn)擊應(yīng)用后會提示用戶操作，改變電源負(fù)載后，點(diǎn)擊下一步；Single邊沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為大于或小于穩(wěn)定輸出電壓+/-過沖。借助光標(biāo)完成測量，水平光標(biāo)間為穩(wěn)定帶（穩(wěn)定電壓上下x%，可設(shè)置），調(diào)整垂直光標(biāo)至第一次離開穩(wěn)定帶與最后一次回到穩(wěn)定帶處，兩光標(biāo)間的時(shí)間差即為瞬變響應(yīng)時(shí)間。

4.4

功率效率

產(chǎn)品功率效率是決定其成功的重要因素。通過對系統(tǒng)輸出功率與輸入功率的測量，可以得到電源的整體效率。鼎陽科技的電源分析軟件可以簡便地測量此參數(shù)。因?yàn)橐獪y量輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流，要求使用的示波器至少具備4通道。

操作方法：將被測物的AC輸入電壓和電流、DC輸出電壓和電流通過探頭與示波器連接，

硬件連接示意圖如下：

圖19. 功率效率測量連接圖

在示波器上打開電源分析軟件，分別設(shè)置4個(gè)通道的電壓電流，打開效率測量，執(zhí)行測試?？梢缘贸鲚斎腚妷篤_in、輸入電流I _in 、輸出電壓V _out 、輸出電流I _out ，和測量的持續(xù)時(shí)間。

效率。N為整周期對應(yīng)的點(diǎn)數(shù),測量結(jié)果為-69.296%。

圖20. 功率效率測量結(jié)果

生成報(bào)告

數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用是工程師在使用儀器過程中經(jīng)常使用到的功能。SDS6000PRO-PA配有報(bào)告生成工具，并可以使用儀器面板上的Save功能，生成指定的報(bào)告格式到U盤。在操作過程中如果有重要的界面需要保存，也可以使用儀器自帶的一鍵保存功能，保存屏幕截圖到U盤。