2020年01月06日 | 了解示波器的数学功能

2020-01-06 来源：EEWORLD

大多数工程实验室都有数字示波器，但是许多工程师并未完全探索其功能。数字示波器更有趣的功能之一是其数学通道，可以帮助您分析热插拔和负载开关电路。数学函数可以提供有关热插拔电路参数的详细信息，可以帮助您进行设计和故障排除。例如，您可以使用示波器的数学函数来计算负载电容，从而可显示MOSFET在启动或关闭期间的瞬态功耗。本文利用了美信MOSFET MAX5976热插拔器件，教大家如何才能用好示波器。

示波器设置

为了了解如何使用数学函数，请考虑使用集成MOSFET MAX5976热插拔器件，它内部集成了MOSFET开关元件，电流检测和驱动器电路，从而构成了完整的电源开关电路。该测试方法还适用于由分立元件构成的热插拔控制电路，将示波器探头连接到图1中的热插拔电路，可以使示波器访问计算所需的信号。电压探头连接到电路的输入和输出，从而在MOSFET上提供压降。电流探头提供了最简单的方法来检测通过设备的负载电流。

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图1将电压探针连接到MOSFET上以测量VDS（a），将电流探针连接到ID（b）。

相同的基本连接适用于非集成热插拔电路，在MOSFET之前和之后连接输入和输出电压探头，这些探头位于MAX5976内部，将电流探头与电路的电流检测电阻串联。为了准确测量流过开关元件的电流，请将电流探头放置在输入旁路电容器之后和输出电容器之前。探头必须测量流经控制器的电流。电容器COUT和CIN不能在控制器和电流探头之间。

MOSFET功耗

开关元件（通常为N沟道MOSFET）中的功耗是VDS（漏极至源极电压）和ID（漏极电流）的乘积。选择示波器探头，以使VDS为通道2和通道1之差，并使用电流探头测量漏极电流。本例中的示波器Tektronix DPO3034具有通过高级数学菜单配置的数学轨迹。

要测量MOSFET的功耗，只需输入一个方程，该方程从通道2中减去通道1，然后将结果乘以电流探针信号即可。使能热插拔电路时，其输出电压以特定的dV / dt压摆率向输入电势上升。负载电容充电电流根据以下公式流过MOSFET：ID = COUT×（dV / dt）。

在示波器上捕获此启动事件会产生图2的波形，其输出电容为360μF，输入电压为12V。热插拔设备将浪涌电流限制为2A。请注意，在恒定电流为负载电容COUT充电的情况下，功率波形呈递减斜率，从24W（12V×2A）开始，随着输出上升至12V而下降至0W。

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图2 COUT的电路MOSFET功耗（中间迹线，红色）为360F。热插拔设备将浪涌电流限制为2A。

这些测量值可以告诉您MOSFET是否在电压，电流和温度的安全范围内。您可以通过参考MOSFET数据表中的相关图表来估算MOSFET的结温升高，直接从实际电压和电流测量结果计算出功率波形，消除了近似估算功耗所固有的误差。此外，当浪涌电流和dV / dt都不恒定时，您可以在启动事件期间准确捕获功率波形（图3）。 COUT为360μF，浪涌电流钳位在2A。

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图3在启动期间，流过MOSFET的电压（顶部迹线，黄色）和流过MOSFET的电流（底部迹线，绿色）ID都不恒定。

如果示波器的数学功能包括积分功能，则可以进一步进行波形计算。积分可以显示事件期间沉积在MOSFET中的总能量。图4将积分功能应用于MOSFET的功率信息。由于功率波形为三角形，其启动时间约为2毫秒，因此可以预期获得约24W / 2×2毫秒= 24毫焦的能量，该能量会在MOSFET中转换为热量。在启动事件结束时，数学通道的功率积分几乎达到了24 mJ的能量。

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图4功耗积分计算了消耗在MOSFET中的总能量。

您可以将此技术应用于影响MOSFET的其他瞬态条件，例如关断，短路或过载事件。如此详细的功率和能量信息，使您可以在检查MOSFET的安全工作区和热特性时精确计算脉冲持续时间和“单脉冲功率”。

测量负载电容

您还可以使用示波器的积分功能来测量热插拔负载电容，前提是在启动过程中电阻负载电流很小。电容是施加到电容器的每伏特所存储的电荷量，而电荷只是电流的时间积分。因此，通过积分热插拔浪涌电流并除以输出电压，示波器的数学功能可以准确地测量总负载电容。

图5中的热插拔控制器连接三个陶瓷输出电容器，每个电容器的标称值为10F。电容迹线（红色）最初是无意义的，因为在输出电压上升之前会发生零分频问题。但是，当输出电压超过0V时，数学通道会迅速收敛至约27μF的测量电容。

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图5输出电容测量结果表明COUT为30μF。

图6重复了图5的实验，但在输出端增加了一个标称值为330μF的铝电解电容器。在启动事件结束时，显示测得的输出电容约为350μF，几乎完全符合期望。

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图6添加一个330μF电容器可产生350μF的测量输出电容。

请记住，电阻性负载会吸收未存储在电容器中的电流，从而降低了电容测量的准确性。但是，对于短时间的测量，结果仍然有用。

本文作者：德怀特·拉森（Dwight Larson），Maxim Integrated Products高级技术人员。他在休斯顿大学获得电气工程学士学位，并拥有四项专利。拉尔森（Larson）从1985年到1991年在美国海军服役，担任潜水艇核反应器机械师和放射控制技术员。

示波器

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