2021年05月21日 | 如何使用示波器验证电源与时间相关的各项指标

是德科技电源部分的功能性测试主要项目包括：输出纹波及噪声、过压保护截止时间、电源开启以及关闭延时、电源上、下编程时间、瞬态响应恢复时间等。

1. 输出纹波及噪声

理想的直流电压应该是随时间变化恒定不变的固定值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即使是用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。所以直流电源的输出中夹杂的交流成分，从而使输出偏离了我们所希望的电压和电流。通常将该交流成分定义在一个特定的带宽范围内 (20 Hz–20 MHz)，表征为输出噪声。

我们以E36311A电源为例，用示波器MSOX3054A测试这台电源的纹波噪声，由于我们现有表笔是 10：1的，引线也有干扰，通用示波器的本底噪声约为 1-2 mV, 这样，纹波信号基本上全被淹没了，所以必须用1：1的探头，实际操作中我们使用鳄鱼夹线缆代替 1:1的探头。最理想的方法是有额外的差分放大器将输入的纹波放大后进行测量，以确保有足够好的信噪比，但受限于实验室条件，这次实验仅能的表征是德电源的纹波范围。

示波器的耦合方式设置为 AC 耦合，打开带宽限制，垂直分辨率调试成 4mv/格，按下 MEAS键得到峰峰值为 1.31mv，交流有效值为 371uv。

需要注意的是电源的纹波指标测量，需要加上负载，在最高输出状态下测量值，在测试过程中关掉其他测量仪器，将鳄鱼夹的线双绞在一起可以有效降低测量过程中的噪声信号。

这台电源给出的指标是 2mV峰峰值，有效值为 350uVrms，实际测试的性能一般相对会更好一些，性能好的电源纹波在输出几十伏时能达到几百个微伏，一台纹波大的电源可能会有几百毫伏，噪声大的电源除了会降低电源的效率，还会造成电源输出不稳定，比如当用纹波指标不好的电源测试数字电路，有可能会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常的工作。或者在给一些芯片供电时，纹波大的电源会造成芯片不稳定，功能下降，长期工作易导致芯片损坏。

2. OVP过压保护截止时间

由于开关电源本身失控或者其他原因可能会使输出高于允许额定电压值从而导致负载损坏。性能优良的电源通常应该设有过压，过流保护电路。所谓过压保护是指用户可以自行设置输出电压的上限值，过压保护电路必须在电源输出达到此值时，迅速将电源切断。我们测试的过压保护截止时间是说，从过压保护电路监测到电压输出达到保护值时到最终关断输出所需要的时间。

我们以 E3640A电源为例，示波器使用下降沿触发方式，注意触发模式需要设置为标准，因为在这种模式下，只有达到触发条件才会捕捉波形，使显示波形停留在我们想要的瞬间。当使用自动模式，示波器会一直刷屏，强制自己去触发。调整水平分辨率为 5ms/div，垂直分辨率1v/div。我们连接好测试线缆后，通过是德科技 command expert软件程控电源：

图 1 实际发送的 SCPI 指令截图

设置电源 OVP 值为 3 V，当改变输出电压为 3.5 V，可以看到示波器上测试结果:

图 2 OVP过压保护截止时间实测截屏

通过光标测试功能，可以看出 OVP延时约460us。

一般性能优良的电源，OVP 响应时间是几十个微妙，所以可以有效的保护被测件，同样的是德很多电源有 OCP 的功能，即过流保护。当负载短路或者负载电流超过设定值时，对电源本身提供保护。

当然有些电源应用是说当客户使用 OCP 功能时，电源一上电就会有瞬间的浪涌电流导致电源保护关断，如果客户可以接受这个电流，是德有些电源这样的功能就是说可以通过设置 OCP 响应延迟，允许浪涌电流而不进行保护。

3.电源开启关闭延时

电源启动时间为电源供应器从输入接上电源起到其输出电压上升到 90% 为止的时间，以一输出为 5 V 的电源供应器为例，启动时间为从电源开机起到输出电压达到 4.75 V 为止的时间。保持时间为电源供应器从输入切断电源起到其输出电压下降到稳压范围外为止的时间，以一输出为 5 V 的电源供应器为例，保持时间为从关机起到输出电压低于 4.75 V为止的时间。

我们以 E3640A电源为例，用 MSOX3054A 测得结果如下

图 3 E3640A电源开启延时

图 4 E3640A电源关闭延时

输出开启延时约为 5.2 ms，输出关断延时 2.8 ms。这个特性也反映了电源的响应时间，在自动化测试中，很多客户对于电源的速度有很高的要求，E3640A 电源没有给出这个指标，但是通过测试，我们也可以大概知道电源输出响应的速度也是比较快的。

4.电源上编程，下编程时间

一般来说电源都会给出上编程和下编程时间的指标，所谓上编程时间，指的是电源带纯阻负载时，输出电压从额定电压 10% 上升到 90% 为止的时间，当然有些电源也会定义输出电压从 0输出至额定电压 +-1% 以内的时间，具体需要看各个电源的技术指标。

编程的速度取决负载的特性以及电源编程输出值的大小，所以上下编程的指标一般会定义为无负载或者满载条件下。一般来说，下编程输出电容只能通过负载电阻和内部电流源放电、在无负载时，输出电压以一定的的斜率跌落，在到达要求的新输出电压时停止下跌。如果连接的是满载，输出电压将较快地指数下降。

我们以 N6705C电源（电源模块是 N6752A ）为例，使用电源连接至电子负载，设置电子负载 6060B 在 CR 模式，当调节电源电压变化时，用是德示波器 MSOX4154A 测试电源带满负载时的上编程时间和空载时的下编程时间。

图 5 N6752A 电源0-50V满载上编程时间

图5可以看到电源上编程时间为 1.3079ms，该电源 0~50V 上编程指标为 1.5 ms。

图 6 N6752A 电源0-10V满载上编程时间

图6可以看到电源上编程时间为 114.6 us，该电源 0~10 V上编程指标为 0.2 ms。

图 7 N6752A 电源 10V-0V 空载下编程时间

图7可以看到电源下编程时间为 175.6us，该电源 10~0V 下编程指标为 0.3 ms。

图 8 N6752A 电源 50V-0V 空载下编程时间

图 8 可以看到电源下编程时间为 818.2us，该电源 50~0V下编程指标为 1.3 ms。

随着电源应用的不断扩展，很多客户可能需要电源产生任意的波形模拟现实生活中的供电信号，尽可能还原产品在真实情况下的工作状态，这就需要电源作为带功率输出的任意波形发生器，输出一定频率的波形，此时就需要考虑电源的编程时间是否够快，电源产生波形的带宽是受制于电源的编程速度。

5.瞬态响应恢复时间

当负载吸收电流发生跳变的瞬间，就会造成电源输出端的电压瞬间偏离设定值。电源从开始变化开始，恢复到负载改变前设定电压的一定范围之内所需要的时间就是电源瞬态响应恢复时间。

瞬态特性是电源本身固有的特性。电源内部有很多的储能元件，电压的调整需要从输出回读、比较标准电压、调整开关占空比等一系列过程。提高控制回路的速度，可以提供更短的瞬态响应时间。但有可能造成输出非常不稳定，甚至出现振荡，因此，具备快速瞬态响应能力的电源，通常为了保证输出质量，就必须采用一些更为先进的技术，从而提升了成本和价格。

比如在做手机测试时，需要用电源模拟手机电池给手机供电，来测试手机在各种工作模式下的电流电压特性，假设手机从待机状态到呼出状态，相当于负载电流变大，此时由于瞬态特性，电源电压会瞬间降低，再恢复到设置值，那么当降低的电压过大或者恢复时间太慢都会导致手机内部芯片认为电池电压不够而导致手机关机而无法进行测试，所以在进行手机测试时，需要瞬态响应性能优良的电源。

同样的，我们以 E3640A 电源为例，使用电源连接至电子负载，设置电子负载在 CR 模式，当调节负载变化时，用示波器测试电源瞬态响应时间。

图 9 E3640A 电源瞬态响应特性

图9和图10可以看到电源瞬态恢复时间为 50.16 us，跌落电压幅值约 27 mv。下图为电源瞬态恢复时间为 50.16 us，过冲电压幅值约 22.68 mv。

这台电源给出的指标是瞬态恢复时间为50 us，是德专门做移动通信测试的电源 66319D 的瞬态响应时间为 20 us，也就是说瞬态恢复时间更快，这也是为什么手机测试电源的客户会非常关注这个指标。

图 10 E3640A 电源瞬态响应特性

通过以上的实验,让我们对于是德的电源性能更加有信心，为日常的工作中提供更加稳定的测试保障。同时也可看出是德的示波器其清晰细腻的可视界面，方便易用的测量功能，以及快捷的图片保存功能。

同时，如果您想获得更复杂的电源测量功能，是德的示波器也能帮助您。以是德科技的 3000X系列示波器为例，您只需安装一个功率测 DSOX3PWR选件，就可以帮你完成以下功能：

• 输入线路分析

谐波电流
功率因数
有效/视在功率
波峰因数
相位角
根据 IEC61000-3-2（A、B、C 和 D 类）标准执行预先一致性测试
浪涌电流

• 功率器件分析

开关损耗
dV/dt 转换速率
di/dt 转换速率

• 调制分析

脉冲宽度/时间
占空比/时间
周期/时间
频率/时间

• 输出分析

输出纹波

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