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不只是一臺示波器!電源分析插件你真的會用了嗎?

發布時間:2019-06-12 責任編輯:wenwei

【導讀】開關電源的質量直接影響到產品的技術性能以及其安全性和可靠性。電源測試項目多,計算量大,統計繁瑣等問題一直困擾著工程師們,為了解決這些問題,今天就帶您走進開關電源測試的新世界。
 
示波器電源測試分析主要實現使用示波器來對電源(開關電源)進行相關測試,提高電源開發人員的工作效率,方便對電源模塊進行測試。主要涉及開關電源(AC/DC)有關測試。在大多數現代系統中,流行的DC電源結構是開關電源(SMPS),這種電源因能夠高效處理負載變化而聞名。
 
典型SMPS的電源信號路徑包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了有損耗的元件的使用量,如電阻器和線性模式晶體管,重點采用(在理想條件下)沒有損耗的元件,如開關式晶體管、電容器和磁性元件。其主要構成如圖1所示。
 
不只是一臺示波器!電源分析插件你真的會用了嗎?
圖1 開關電源原理圖
 
開關電源的測試參數主要包括輸入端分析、輸出端分析、磁性元件分析、開關器件分析、調制分析、環路分析等,如下表為進入電源分析測試界面后,對于各個測試功能的測試項目。首先我們先以最常見的開關損耗測試為例進行講解。
 
不只是一臺示波器!電源分析插件你真的會用了嗎?
 
一 開關損耗測試
 
1、測試原理
 
開關電源的開關器件總是工作在打開或關閉狀態,可以提供更高的效率。理想情況下,開關器件打開和關閉是沒有損耗的。如圖2所示。
 
ON = 完全導通(理想情況下 V = 0,意味著開關損耗 P = V x I = 0)
 
OFF = 完全關閉(理想情況下 I = 0,意味著開關損耗 P = V x I = 0)
 
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圖2 理想開關器件
 
但現實情況中,是在存功率損耗的。主要包括開關損耗,傳導損耗。如下圖3所示。
 
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圖3 實際損耗
 
針對功率損耗主要計算主要包括三部分之和:
 
導通過程損耗+關閉過程損耗+導通損耗
 
Ploss=Pon+Poff+Pcond
 
2、測試步驟
 
開關元件分析的接線示意圖如下圖4所示。其中通道1使用高壓差分電壓探頭接開關的兩端,通道2使用電流探頭接開關的一端
 
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圖4 開關元件接線示意圖
 
調節好電流探頭和電壓探頭的探頭比率后,點擊【Analyze】進入電源分析測試界面,在【功能】中選擇【開關損耗】點擊【參數配置】進入參數設置界面,如下圖5所示。參數設置用于判定開關的狀態,需要進行設置的參數有電壓通道、電流通道、參考電壓、參考電流和導通計算選擇。
 
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圖5 開關損耗參數設置
 
計算結果表格如圖6所示。
 
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圖6 開關損耗測量結果
 
● 當前值:該行結果為當前樣本的計算結果。
● 最大值、最小值和平均值:統計結果,可以使用Clear進行清除并重新開始統計。
● 功率最大統計項(P):瞬時功率最大值。
● 能量最大統計項(E):與瞬時功率對應的能量,其時間是一個采樣間隔。
● 功率平均值統計項(P):整個樣本平均功率。
 
有的工程師會問了,這么多的功率值我主要參考哪個值呢?小編建議是以當前值為參考值哦。
 
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圖7 dv/dt 或 di/dt 效果圖
 
其中:黃色為dv/dt,綠色為di/dt。
 
參考電壓——用來識別導通狀態。當電壓值小于波形最大電壓的參考電壓百分比時,認為該狀態為導通狀態。
 
參考電流——用來識別關閉狀態。當電流值小于波形最大電流的參考百分比時,認為該狀態為關閉狀態。
 
參考電壓和參考電流一般設置為默認值就可以。
 
二 環路分析
 
環開關電源的環路分析,可以測量系統的增益、相位隨頻率變化的曲線(伯德圖),分析系統的增益余量與相位余量,以判定系統的穩定性;在被動器件的阻抗分析中,環路分析可以觀察電容、電感的高頻阻抗曲線,測量電容ESR等。環路分析的一個重要作用就是分析開關電源的穩定性。
 
1、測試原理
 
掃頻測試原理主要是給開關電源電路注入一個頻率變化的正弦信號,測量開關電源在頻域上的特性,通過分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來判斷環路是否穩定,可以為電子工程師設計穩定的控制電路提供直觀的數據。另外,環路分析也有單頻點測試功能。利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統增益的大小和相位,如圖8所示。
 
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圖8 伯德圖及相關參數
 
伯德圖相關參數有:
 
● 穿越頻率:增益為 0dB 時對應的頻率;
● 相位裕度:增益為 0dB 時對應的相位差;
● 增益裕度:相位為 0°時對應的增益差。
 
系統的穩定性可以通過伯德圖中的相位余量,增益余量,穿越頻率來衡量。
 
系統開發期間,研發人員可以在開發前期使用系統仿真軟件Saber、PSIM、simplis上面進行環路電路的設計和模擬,在開發的中后期,則可以使用ZDS3000/4000系列示波器的環路分析功能進行實際的環路電路特性的驗證和改進。
 
2、測試步驟
 
開關電源實際上是一個包含了負反饋控制環路的放大器,會放大交流信號并對負載變化作出反饋響應。為了完成控制環路響應測試,需要把一個擾動信號(一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號或單一頻點正弦波信號)注入到控制環路的反饋路徑中。這個反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網絡。我們需要把一個阻值很小的注入電阻插入到反饋環路中,才能注入一個擾動信號。
 
例如下圖9所示的注入電阻為5Ω,注入電阻與R1和R2串聯阻抗相比是微不足道的。所以,用戶可以考慮把這個低阻值注入電阻器作為長久使用的測試器件。另外還需要使用一個隔離變壓器來隔離這個交流干擾信號,從而不產生任何的直流偏置。由于實際的注入和輸出的電壓一般都很小,因此信號注入端建議使用BNC頭轉夾子的線纜進行信號注入,并且使用X1的探頭進行注入端和反饋端的信號測量。
 
環路功能的同步環路測試時,需要使用致遠電子環路測試配套的信號發生模塊與ZDS3000/4000系列示波器相連,通過示波器控制信號發生模塊配合生成需要的頻率信號,環路測試信號接線圖如圖9所示。
 
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圖9 環路測試信號接線
 
同步環路測試的實物連接圖如圖10所示,該圖中使得一根BNC線纜連接ZDS3000/4000系列背部的觸發輸出端與信號發生模塊,信號發生模塊的輸出再用BNC線纜連接到隔離變壓器,隔離變壓器的輸出通過BNC轉夾子的線纜,將信號注入到被測板的注入電阻兩端,然后用兩根衰減比為X1的探頭,測量注入端與輸出端的信號。
 
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圖10 環路測試實物連接
 
3、參數設置
 
點擊示波器面板上【Analyze】鍵,再點擊【環路測試】按鈕,進入環路測試功能菜單。點擊【參數設置】按鈕,會彈出參數設置窗口,旋轉旋鈕A可選擇參數,短按旋鈕A后可進行參數修改,其中包括【參數設置】、【濾波設置】和【同步設置】。如圖11所示:
 
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圖11 參數設置菜單
 
環路功能的運行可以點擊菜單的【運行停止】測試啟動后,界面會切換到環路掃頻運行的界面,功能會根據當前采樣到的頻率、相位差、增益,不斷地繪制出頻率與相位、頻率與增益的動態曲線,其中,藍色曲線為增益曲線,橙色曲線為相位曲線。如圖12所示:
 
不只是一臺示波器!電源分析插件你真的會用了嗎?
圖12 掃頻測試運行中
 
4、界面說明
 
ZDS3000/4000系列環路分析功能擁有獨特的掃頻分析操作界面,對測試操作和用戶體驗進行了創新性地設計,如圖13所示:
 
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圖13 環路測試掃頻界面
 
包含有如下區域:
 
● 掃頻波形顯示區域:藍色曲線為增益曲線,橙色曲線為相位曲線,PM/GM 信息顯示在右上角,可通過旋鈕 B 進行滾動查看每個測量點,并可放大顯示;
● 快捷操作觸摸按鈕區域:這個區域擁有一排快捷操作按鈕,觸摸點擊操作,例如可以載入校準參數,可以切換增益和相位曲線的顯示方式;
● 增益相位垂直刻度:顯示當前增益曲線和相位曲線的垂直刻度,在掃頻運行過程中,功能會自動調節垂直刻度,以滿足變化的曲線顯示范圍。在掃頻結束后,用戶可以自己手動修改垂直檔位和范圍。
● 存儲通道操作區域:功能可支持存儲8組之前的掃頻曲線,方便進行測試之間的對比。可對每組存儲通道進行顯示隱藏、重命令、導入導出等操作。
 
5、結果分析
 
過掃頻曲線伯德圖,可以直觀地看到整個頻率范圍內的增益和相位變化趨勢,方便觀察和分析,做到心中有數。實測電源的掃頻曲線如圖13所示,增益裕量(GM)和相位裕量(PM)信息顯示在掃頻界面的右上角,相位裕度(PM)是指增益穿越0dB時的相位值,增益裕度(GM)是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量開關電源穩定的一個重要指標。

本文轉載自ZLG立功科技。
 
 
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