2020年10月12日 | 示波器开关电源测试实例讲解

        开关电源的质量直接影响到产品的技术性能以及其安全性和可靠性。电源测试项目多，计算量大，统计繁琐等问题一直困扰着工程师们，为了解决这些问题，今天就带您走进开关电源测试的新世界。

        示波器电源测试分析主要实现使用示波器来对电源(开关电源)进行相关测试，提高电源开发人员的工作效率，方便对电源模块进行测试。主要涉及开关电源(AC/DC)有关测试。在大多数现代系统中，流行的DC电源结构是开关电源(SMPS)，这种电源因能够高效处理负载变化而闻名。

        典型SMPS的电源信号路径包括无源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地减少了有损耗的元件的使用量，如电阻器和线性模式晶体管，重点采用(在理想条件下)没有损耗的元件，如开关式晶体管、电容器和磁性元件。其主要构成如图1所示。
       
        图1 开关电源原理图

        开关电源的测试参数主要包括输入端分析、输出端分析、磁性元件分析、开关器件分析、调制分析、环路分析等，如下表为进入电源分析测试界面后，对于各个测试功能的测试项目。首先我们先以最常见的开关损耗测试为例进行讲解。

       

        一 开关损耗测试
        1、测试原理

        开关电源的开关器件总是工作在打开或关闭状态，可以提供更高的效率。理想情况下，开关器件打开和关闭是没有损耗的。如图2所示。

        ON = 完全导通(理想情况下 V = 0，意味着开关损耗 P = V x I = 0)
        OFF = 完全关闭(理想情况下 I = 0，意味着开关损耗 P = V x I = 0)
         
       
        图2 理想开关器件

        但现实情况中，是在存功率损耗的。主要包括开关损耗，传导损耗。如下图3所示。
         
       
        图3 实际损耗

        针对功率损耗主要计算主要包括三部分之和：
        导通过程损耗+关闭过程损耗+导通损耗
        Ploss=Pon+Poff+Pcond

        2、测试步骤

        开关元件分析的接线示意图如下图4所示。其中通道1使用高压差分电压探头接开关的两端，通道2使用电流探头接开关的一端
         
       
        图4 开关元件接线示意图

        调节好电流探头和电压探头的探头比率后，点击【Analyze】进入电源分析测试界面，在【功能】中选择【开关损耗】点击【参数配置】进入参数设置界面，如下图5所示。参数设置用于判定开关的状态，需要进行设置的参数有电压通道、电流通道、参考电压、参考电流和导通计算选择。
         
       
        图5 开关损耗参数设置

        计算结果表格如图6所示。
         
       
        图6 开关损耗测量结果

- 当前值：该行结果为当前样本的计算结果。               
- 最大值、最小值和平均值：统计结果，可以使用Clear进行清除并重新开始统计。               
- 功率最大统计项(P)：瞬时功率最大值。               
- 能量最大统计项（E）：与瞬时功率对应的能量，其时间是一个采样间隔。               
- 功率平均值统计项(P)：整个样本平均功率。               

        有的工程师会问了，这么多的功率值我主要参考哪个值呢？小编建议是以当前值为参考值哦。
         
       
        图7 dv/dt 或 di/dt 效果图

        其中：黄色为dv/dt，绿色为di/dt。
        参考电压——用来识别导通状态。当电压值小于波形最大电压的参考电压百分比时，认为该状态为导通状态。
        参考电流——用来识别关闭状态。当电流值小于波形最大电流的参考百分比时，认为该状态为关闭状态。

        参考电压和参考电流一般设置为默认值就可以。

        二 环路分析

        环开关电源的环路分析，可以测量系统的增益、相位随频率变化的曲线(伯德图)，分析系统的增益余量与相位余量，以判定系统的稳定性；在被动器件的阻抗分析中，环路分析可以观察电容、电感的高频阻抗曲线，测量电容ESR等。环路分析的一个重要作用就是分析开关电源的稳定性。

        1、测试原理

        扫频测试原理主要是给开关电源电路注入一个频率变化的正弦信号，测量开关电源在频域上的特性，通过分析穿越频率、增益裕度和相位裕度来判断环路是否稳定，可以为电子工程师设计稳定的控制电路提供直观的数据。另外，环路分析也有单频点测试功能。利用伯德图可以看出在不同频率下系统增益的大小和相位，如图8所示。
         
       
        图8 伯德图及相关参数

        伯德图相关参数有：
- 穿越频率：增益为 0dB 时对应的频率；               
- 相位裕度：增益为 0dB 时对应的相位差；               
- 增益裕度：相位为 0°时对应的增益差。               

        系统的稳定性可以通过伯德图中的相位余量，增益余量，穿越频率来衡量。

        系统开发期间，研发人员可以在开发前期使用系统仿真软件Saber、PSIM、simplis上面进行环路电路的设计和模拟，在开发的中后期，则可以使用ZDS3000/4000系列示波器的环路分析功能进行实际的环路电路特性的验证和改进。

        2、测试步骤

        开关电源实际上是一个包含了负反馈控制环路的放大器，会放大交流信号并对负载变化作出反馈响应。为了完成控制环路响应测试，需要把一个扰动信号（一定幅度和频率范围的扫频正弦波信号或单一频点正弦波信号）注入到控制环路的反馈路径中。这个反馈路径就是指R1和R2的电阻分压器网络。我们需要把一个阻值很小的注入电阻插入到反馈环路中，才能注入一个扰动信号。

        例如下图9所示的注入电阻为5Ω，注入电阻与R1和R2串联阻抗相比是微不足道的。所以，用户可以考虑把这个低阻值注入电阻器作为长久使用的测试器件。另外还需要使用一个隔离变压器来隔离这个交流干扰信号，从而不产生任何的直流偏置。由于实际的注入和输出的电压一般都很小，因此信号注入端建议使用BNC头转夹子的线缆进行信号注入，并且使用X1的探头进行注入端和反馈端的信号测量。

        环路功能的同步环路测试时，需要使用致远电子环路测试配套的信号发生模块与ZDS3000/4000系列示波器相连，通过示波器控制信号发生模块配合生成需要的频率信号，环路测试信号接线图如图9所示。
         
       
        图9 环路测试信号接线

        同步环路测试的实物连接图如图10所示，该图中使得一根BNC线缆连接ZDS3000/4000系列背部的触发输出端与信号发生模块，信号发生模块的输出再用BNC线缆连接到隔离变压器，隔离变压器的输出通过BNC转夹子的线缆，将信号注入到被测板的注入电阻两端，然后用两根衰减比为X1的探头，测量注入端与输出端的信号。
         
       
        图10 环路测试实物连接

        3、参数设置

        点击示波器面板上【Analyze】键，再点击【环路测试】按钮，进入环路测试功能菜单。点击【参数设置】按钮，会弹出参数设置窗口，旋转旋钮A可选择参数，短按旋钮A后可进行参数修改，其中包括【参数设置】、【滤波设置】和【同步设置】。如图11所示：
         
       
        图11 参数设置菜单

        环路功能的运行可以点击菜单的【运行停止】测试启动后，界面会切换到环路扫频运行的界面，功能会根据当前采样到的频率、相位差、增益，不断地绘制出频率与相位、频率与增益的动态曲线，其中，蓝色曲线为增益曲线，橙色曲线为相位曲线。如图12所示：
         
       
        图12 扫频测试运行中

        4、界面说明

        ZDS3000/4000系列环路分析功能拥有独特的扫频分析操作界面，对测试操作和用户体验进行了创新性地设计，如图13所示：
         
       
        图13 环路测试扫频界面

        包含有如下区域：
- 扫频波形显示区域：蓝色曲线为增益曲线，橙色曲线为相位曲线，PM/GM 信息显示在右上角，可通过旋钮 B 进行滚动查看每个测量点，并可放大显示；               
- 快捷操作触摸按钮区域：这个区域拥有一排快捷操作按钮，触摸点击操作，例如可以载入校准参数，可以切换增益和相位曲线的显示方式；               
- 增益相位垂直刻度：显示当前增益曲线和相位曲线的垂直刻度，在扫频运行过程中，功能会自动调节垂直刻度，以满足变化的曲线显示范围。在扫频结束后，用户可以自己手动修改垂直档位和范围。               
- 存储通道操作区域：功能可支持存储8组之前的扫频曲线，方便进行测试之间的对比。可对每组存储通道进行显示隐藏、重命令、导入导出等操作。               

        5、结果分析

        过扫频曲线伯德图，可以直观地看到整个频率范围内的增益和相位变化趋势，方便观察和分析，做到心中有数。实测电源的扫频曲线如图13所示，增益裕量（GM）和相位裕量（PM）信息显示在扫频界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB时的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量开关电源稳定的一个重要指标。