开关电源(SMPS)作为目前直流电源的主流架构,其不单可以轻松应对负载变化,同时还可显著提升能源利用效率,极大范围内节约了测试成本。关于SMPS技术背后的秘密——在于其巧妙采用了金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等功率半导体开关器件。这些神奇的器件,开关速度非常快,不仅可以轻松应对不稳定电压尖峰的挑战。还可在开通与断开状态间切换的情况下,以极低的能量消耗产生较高的效率,此外可保持较低的发热温度。
【半导体功率器件电路图】
探头的传输延迟
开关器件的好坏,在很大程度上决定了SMPS的总体性能。所以,对于部分希望采用数字示波器精准测量开关电源的使用者来说,了解并测量MOSFET开关器件的漏极和源极间的电压与电流,或是IGBT集电极与发射极间的电压,将会十分关键。经过这些测量,我们可以更加详细地了解开关器件的开关损耗、平均功率损耗以及安全工作区等关键指标,为优化电源性能提供有力依据。
在此过程中,至关重要的工具便是高压差分探头与电流探头。其连接方式如下图所示,两者分工明确,一支负责捕捉电压变化,一支负责监测电流波动,共同绘制出开关器件的工作全貌。
【测量过程中电流探头与电压探头的连接方式】
对于这两种探头本身具备的传输延迟却会跟随时间的推移以延迟差的形式影响着相关测试的准确性,变化关系如下图所示,其中功率是电压与电流的乘积,功耗是功率对时间的积分。对此可知在实操过程中我们一定要消除两支探头间的传输延迟,进而才可完成对开关损耗的精确测量。
【传输延迟差与测量结果的关系示意图】
完成“去延迟”操作之前,最初应要选取一个可提供稳定时间差的电压、电流信号当做测量的标准源。根据需求推荐横河701936同步信号源,其是一款十分理想的选择,其外观如下图所示。采用USB电缆供电的横河701936同步信号源可通过USB接口与示波器直连,便于使用者取电;同时横河701936不仅支持多种类型的钳式电流探头,如Yokogawa 701930与701931,还可支持使用者在测量时施加1A的信号源以便于完成更大范围的电流测量;除此之外使用者还可采用701936以及0.1A的供电电流可移动线圈来完成对AEM、LEM与部分离核心Hitec的直通型CT测量。
【横河去延迟校正信号源 701936】
去延时操作
对此应该怎样采用横河701936进行去延迟操作这一问题。首先,使用者应要将电压探头与电流探头按照下图所示完成连接,同时采用USB线缆为701936这一去延迟电路板供电;随后使用者应要在示波器端进行设置,同时捕捉电压电流信号的下降沿。如使用者采用横河DLM系列示波器,那么便能够直接在相应电压/电流通道中的探头设置内手动完成去延迟操作。
【电压探头与电流探头连接以及去延迟示意图】
其操作步骤如下所示:
一定要使用下降沿。
精确去延迟并不是将两个波形调整到简单重合便可。而是要按照不同的接线端口情况对其设置进行分类讨论:
如果使用者采用的是小电流端口I1,即左图红色线缆连接的红色接头端,那么就应要将电压电流波形显示情况调整至下图所示的程度。
【接入小电流端口时电压电流波形调整标准图】
如果使用者采用大电流端口I2,即左图电路板上的孔洞端,那么就应要将电压电流波形调整至下图中所示程度。