2021年05月26日 | 用示波器在功率传输状态(无信标)下执行ITX_COIL测量

设计和测试符合 A4WP 标准的无线充电产品，所使用的主要仪器之一是示波器。虽然很多的一致性测试测量执行起来相对容易一些，而有的测试却并不简单。您可能没有意识到，许多先进的示波器设置和测量都能够增强 A4WP 示波器测量的精度和可重复性。

本篇应用指南是《A4WP 无线充电测量》系列的第 1 部分（总计三篇）。第 1 部分主要讲在功率传输状态（无信标）下执行 I TX_COIL 测量。第 2 部分主要讲在省电状态（信标）下执行 I TX_COIL 测量，包括信标时序。第 3 部分主要讲功率和效率测量。参阅第 2 和 3 部分，可以了解额外的 A4WP 测试信息。

本应用指南给出了使用 Keysight InfiniiVision X 系列示波器进行测量的逐步操作说明。注意：每个测量都建立在先前执行和操作的测量的基础上。以下的 A4WP 无线充电传输测量将在这篇文章中加以说明：

当充电系统处于非省电状态，即提供不间断电流（无信标电流）时，测量 ITX_COIL 电流波形的各种参数相对来说容易完成，例如 RMS 电流、频率和斜率。当设置示波器去执行新的一组测量时，最好的做法是从 Default Setup（默认设置）开始，以防示波器之前曾针对某个测量模式进行了配置。接下来，在经过足够的预热时间后，把您的电流探头消磁（退磁）。电流探头会产生一个磁场（磁芯饱和），导致直流偏置误差。参见本文的附录 A，了解钳式霍尔电流探头的其他信息。

功率传输状态下的 RMS 电流（I TX_COIL）测量（无信标）

首先将您的电流探头连接到 ITX_COIL 电流环路测量测试点。在建立了 PRU 连接后，或使用信号发生器和外部功率放大器为您的 PTU 谐振器供电，接下来的步骤是：

1. 默认设置。

2. 自动定标。

图 1. 使用 AutoScale 自动调节 ITX_COIL 波形的标度。

图 1 显示了示波器执行 AutoScale 操作之后的 ITX_COIL 波形的标度。自动定标使我们能够接近测量所需的设置，但它可能不是最佳的设置。示波器的模数转换器（ADC）的动态范围通常在示波器显示屏的底部和顶部（8 格）伸展。如果 ITX_COIL 波形的标度是 4 个垂直分格峰峰值，正如屏幕图像所示，电流测量需要使用超过一半的 ADC。换句话说，如果示波器有一个 8 位 ADC，譬如 Keysight InfiniiVision X 系列示波器及其他同类示波器，您将会执行大约 7 位的测量。最好是微调这台示波器的垂直标度，从而使垂直分辨率最大化。

大部分示波器对它们的垂直和水平标度有着“粗略”调整和“精细”调整。默认标度与 AutoScale 标度一般是基于“粗略”设置。但我们可以做得更好的。假设您在使用示波器的通道 1 进行 ITX_COIL 测量，马上按下通道 1 上的垂直标度旋钮。它将进入“精细”标度模式。现在旋转通道 1 垂直标度旋钮，直至波形的大小接近于满屏（~7 格峰峰值）——没有限幅。如果您再次按下垂直标度旋钮，它将切换回“粗略”模式。

注意：如果您在计算机 / 软件控制下进行自动测量，而没有手动微调这个垂直标度，那么您在执行 AutoScale 操作之后可去测量峰峰值电流，以便进一步优化垂直标度。例如，如果峰峰值电流测量的结果是 1.8 A（在 AutoScale 操作后），把垂直标度设置在 260 mA/ 格，可得到大约 7 格的峰峰值偏移（1.8 A/7 格 = 257 mA/ 格）。

垂直标度优化完毕后，按照下面的步骤测量 ITX_COIL 的 RMS 电流：

3. 将 ITX_COIL 测量通道的输入耦合模式设置为交流耦合。

4. 启动噪声抑制（触发模式 / 耦合菜单）。

5. 将时基设为 100 ns/ 格。

6. 设置触发电平为 0.0 A。

7. 启动求平均值 = 8（采集菜单）

8. 开始在 ITX_COIL 输入通道上（通常是通道 1）执行“AC RMS – N Cycles”测量。

图 2. 测量 ITX_COIL 的 RMS 电流。

图 2 显示了 ITX_COIL 上的 RMS 电流测量。因为 ITX_COIL RMS 电流测量只是针对交流电流，交流耦合可以消除由电流探头引起的任何直流偏置误差 / 漂移。

在测量极低电平的 ITX_COIL 信号时，输入信号上的随机噪声有时会引起假触发。噪声抑制功能可以降低虚假触发出现的几率。求平均值功能将会进一步减轻噪声对测量的影响，以便提供更高的分辨率和更精确的测量。

许多示波器只提供“RMS – 周期”测量，测量包括示波器引起的直流偏置 / 平衡误差。虽然交流耦合有助于去除探头偏置误差，但是它消除不了因示波器造成的少数偏置或平衡误差。“交流 RMS N 个周期”测量在是德科技示波器上执行，可以去除由信号源引发的直流偏置误差。简单地说，“N 个周期”就是指测量在波形周期的整数倍进行，参见示波器显示。时基设置在100 ns/ 格时，“交流 RMS N 个周期”测量是在 6 个 ITX_COIL 波形周期内执行。这样，测量中会出现其他的平均值。在没有明确地执行平均值重复测量的情况下，ITX_COIL 测量给出了 10 μA 的测量分辨率。不过如果输入信号中的噪声非常大，您也可以打开测量统计工具，在 RMS 测量“平均值”的基础上获得更稳定的测量。

ITX_COIL 的频率

使用 InfiniiVision X 系列示波器时，有两种不同的频率测量方法。在一个捕获波形上执行标准频率测量，实际上是在一个周期内进行 △ 时间测量。然而，Keysight InfiniiVision X 系列示波器还提供一个实时 5 位频率计数器，它在测量连续波（CW）信号时有着很高的精度，例如在充电时测量 ITX_COIL 交流信号（非信标）。为了比较两种测量方法的不同，我们按照下面的步骤去测量 ITX_COIL 的频率：

9. 在 ITX_COIL 输入通道上启动标准频率测量（测量菜单）。

10. 打开 5 位频率计数器（分析菜单）。

图 3 显示了两种测量。不过，5 位频率计数测量可能会遮盖住标准频率测量。要想在示波器屏幕上显示这两种测量，需要把计数器窗口 / 面板拖放到波形显示区域（您在观察到点时就要触摸并拖放）。

实时频率计数器（黄色数字）把在 160 ms 时间跨度（测量选通时间）内的触发数量累加到一起，然后计算平均频率。如果平均频率是 6.78 MHz，意味着频率计数器对超过 1,000,000 个周期的输入信号求平均值，提供 100 Hz 测量分辨率。频率应测量 6.78 MHz ±15 kHz。图 3 所示的测量实例中，实时频率计数器的测量被锁定在了 6.7800 MHz（没有跳动的数字）。尽管标准频率测量（橙色数字）显示了很多数字，但只有较低的三个数字全部是跳动的（相对来说不稳定）。为了提高标准频率测量的测量分辨率，您可以打开测量统计工具，去记录完成一组测量（计数）之后的“平均值”。虽然标准频率测量方法还是不错的，但是实时频率计数器测量方法可提供更快、更精确和更高分辨率的测量（所以也会更稳定）。需要注意的是，频率计数器测量不能用于测量短和长信标的频率。这类测量必须使用标准频率测量，在第 2 部分应用指南中会提到。

图 3. 测量 ITX_COIL 的频率。

跳变响应建立时间 ITX_COIL

当 PTU 功率电平因 PRU 负载变化的影响而上升或下降时，ITX_COIL 应有一个含有适当阻尼的跳变响应，在 250ms 内稳定在新调整好的电流电平上。要想精确地执行时序测量，最难的地方是我们只规定了一个特殊触发条件，然后去检测 ITX_COIL 电流电平的微小变化。

图 4 显示了在 ITX_COIL 上执行功率传输状态建立时间测量的第一个步骤，电流增大了将近 10%。本例中使用了脉冲宽度触发（负脉冲 > 300 ms，使用常规触发模式，无噪声抑制）。在跳变前，触发电平被设置在 ITX_COIL 正峰值的上方。如果示波器的触发电路检测不到电平有哪些变化，那么您可使用自动触发模式，在观察到电平变化时手动停止采集。需要注意的是，这里不可使用滚动模式，因为可精密测量跳变建立时间的数学函数在该模式下是禁用的。示波器的时基设置由电平变化的斜率来决定。在本例中，时基被设置在了 100 ms/ 格。使用这个时基设置，必须关闭波形平均，应启动峰值检测采集模式。

图 4. 对 ITX_COIL 的电流电平移动进行触发，使用最大保持波形数学函数绘制峰值。

您在 ITX_COIL 波形上方看到的紫色波形就是“最大保持”波形数学函数（Math1），当示波器的采集模式设为“峰值检测”时，该波形显示了 ITX_COIL 的绝对正峰值。

测量跳变建立时间，需要在分辨率更高的最大保持波形上执行自定义上升时间测量。这个测量可通过在最大保持波形（Math1）上应用平滑数学函数（Math2）来完成，然后扩展所合成的波形，如图 5 所示。为了测量跳变建立时间，使用下限测量阈值电平（1%）和上限阈值（90%）进行上升时间测量。本例中，在电流发生步进变化后，我们测得了达到 90% 稳态电流的跳变建立时间为 75 ms，没有超过技术指标规定的 250 ms。

图 5. 测量 ITX_COIL 电流电平移动的跳变建立时间。

ITX_COIL 的斜率

电流电平的步进变化之斜率不得超出 100 mArms 至 160 mArms/ms 的范围；由具体的谐振器决定。继续上一个跳变建立时间测量（图 5），因为经过平滑处理的最大保持波形（Math2）标绘了电流的峰值，为了测量电流步进变化相对 RMS 的斜率，需要使用第三个波形数学函数（Ax + B）来放大这个波形。图 6 给出了测量结果。此时，把“A”设置在 0.707，把波形放大，相对于电流的 RMS 值。使用下限阈值（45%）和上限阈值（55%）进行上升时间测量。使用示波器的光标去跟踪定制上升时间测量，选中了光标菜单并显示测量的斜率（ΔY/ΔX）。此时，我们测得的电流步进变化 RMS 斜率是 372 mArms/s（或 0.372 mArms/ms），符合斜率技术指标（100 mArms/ms 至 160 mArms/ms）。

图 6. 使用“Ax + B”波形数学函数，测量电流步进变化相对于 RMS 的斜率。

其他测量有：跳变前（底部 = 295 mA）的初始稳态 RMS 电流电平的测量，跳变后的最终稳态 RMS 电流电平（顶部 = 323 mA），跳变中的最大 RMS 电流电平（最大值 = 326 mA），以及跳变中的百分比过冲（过冲 = 9.6%）。需要注意的是，9.6% 过冲是相对于跳变是 3 mA，或比最终稳态电流电平高出 0.9%。过冲测量可以帮助您确定响应是否过阻尼。

附录 A：选择正确的电流探头

测量 PTU 或 PRU 谐振器电流（ITX_COIL 和 IRX_COIL）的各种电流和时序参数，需要使用钳式霍尔交流 / 直流电流探头。这种电流探头也可以用来测量直流 IRECT 和 IOUT 充电电流。如果您使用了是德科技示波器，推荐您搭配使用 50-MHz 1147B 或 100-MHz N2893A 电流探头。为您的 A4WP 测量选择正确的电流探头，需要认真地评估探头技术指标。下面表格总结了两种探头的关键技术指标。

1. 把两个电流探头连接到 InfiniiVision X 系列示波器，所测得的最大峰值电流 15 A（交流 + 直流）。

2. 
   

两种探头的“标示”技术指标（带宽和最大电流）完全符合 A4WP 要求，能够测量 6.78 MHz 正弦波（高达 5 A-RMS）。但是，这两个技术指标（带宽和最大电流）是互为排斥的。其他厂商生产的同类电流探头亦是如此。电流探头的技术指标会根据输入频率而降级。您需要认真评测这两个互斥的技术指标——在指定测量频率上的插入阻抗和最大电流。这些技术指标仅在用户指南中提供，用图表来表示。图 7 显示了 N2893A 的最大降级电流约为 5 A-RMS（6.78 MHz 时）。50-MHz 1147B 电流探头（价位较低）的降级电流约为 3.5 A-RMS（6.78 MHz 时），所以它不能满足 A4WP 5 A-RMS 的要求。但如果您的无线充电系统始终在小于 3.5 A-RMS 的电流电平运作，那么也不妨选择 1147B 电流探头。另外，如果您需要测量输出直流电流，1147B 的性能应当够用了。

图 7. N2893A 电流探头的最大降级电流与频率的关系。

另一个必须考虑的技术指标是插入阻抗。图 8 显示了 100-MHz N2893A 电流探头的插入阻抗。频率在 ~6.78 MHz 时，电流探头的插入阻抗为 ~40-mΩ，这在业内是最好的。50-MHz 1147B 在同一频率上的插入阻抗是 ~600-mΩ。

图 8. N2893A 电流探头的插入阻抗与频率的关系。

插入阻抗是电流探头的有效串联加载。所有的示波器探头——包括电流探头和电压探头——都会在某个程度上加载被测器件。换个角度思考，探头都是“小偷”。它们会使被测器件产生损耗。电压探头的阻抗极高，并与被测器件并联连接，它会消耗被测器件的少量电流。霍尔电流探头则会消耗少量磁场，将其转换成电压。您需要测量电流探头的附加有效串联阻抗对您的设计的运作和性能产生哪些影响，以此判断哪种探头最适合您。

N2893A 是最适合测量 ITX_COIL 和 IRX_COIL 的探头，它可以测量频率在 6.78 MHz 的最大电流和最小插入阻抗。但如前所述，1147B 可能更适合低类别的被测器件，在不考虑加载和带宽的情况下测量输出直流电流。

1147B 和 N2893A 都有着 Keysight AutoProbe 接口，可插入到示波器的输入 BNC。AutoProbe 接口自动检测到所插入的探头是电流探头（不是电压探头），再应用适当的换算系数，这样所有的设置（例如垂直标度）和测量（例如 RMS）都能换算成以安培为单位的数值，而非伏特。电流探头也是一个转换器，它会输出电压给示波器，这是测量电流的典型特征。1147B 和 N2893A 的换算系数是 0.1 V/A。所以，如果探头检测到与 1 A 电流有关的磁场，它会把电流电平换算成 0.1 V。示波器随后用数学方法（即，探头的换算系数）将这个电压再换算成电流，以进行定量测量。

1147B 和 N2893A 的 AutoProbe 接口还可以给电流探头供电。交流 / 直流电流探头属于“有源” 探头，意味着它们有着需要激励的电子电路并需要功率，例如放大器。有些交流 / 直流电流探头要求使用外部电源或电池以便运作。

校准您的电流探头

电流探头需要进行直流偏置校准，而且必须不定期地消磁（退磁）。尽管霍尔电流探头能够检测到磁场并转换成电压，它们本身也会产生磁荷。磁荷（磁芯饱和）可导致直流偏置误差。

如果使用 100-MHz N2893A 电流探头，您可以使用输入通道探头菜单中的退磁功能去自动校准直流偏置。您必须使探头断开与任何被测器件的连接，像图 9 中的那样关掉探头（向上推动探头的弹簧杆直至锁定），然后在探头校准菜单中按下 OK 键。探头将自行消磁，然后开始偏置校准。

校准大概要 30 秒。注意：探头上还有一个 DEMAG 按钮，可以偶尔使用。当您按下这个按钮，探头就会自行退磁（已经断开与被测器件的连接），但是它不能执行偏置校准。

如果使用 50-MHz 1147B，首先断开探头与被测器件的连接，关闭它的夹钳，再按下上面的DEMAG 按钮，您可以手动对探头退磁。通过旋转探头上的指按轮，直至通道波形迹线与示波器显示屏上接地指示器相一致，然后您可以手动校准因探头引起的直流偏置误差。

当测量以接地为中心的交流信号时，例如 ITX_COIL 和 IRX_COIL，您应使用在示波器通道菜单中的交流耦合功能。这样做，进一步消除了探头引起的直流偏置误差。所以，如果探头开始产生磁场，并引发了直流偏置误差，那么您就应当对其进行消磁，交流耦合可以去除直流误差分量。

注意：示波器本身也会产生一些直流偏置 / 平衡误差。示波器的偏置 / 平衡误差通常是在 ± 0.1 格，会对测量的精度造成影响。所以在 ITX_COIL 或 IRX_COIL 上测量 RMS 时，可选择交流 RMS – N 个周期测量。测量能够消除示波器引起的直流误差分量。如果您所用的示波器只提供“RMS – 周期”测量，那也不妨使用。但是要记住，测量会包含示波器引发的直流偏置 / 平衡误差。

图 9. 对电流探头进行校准（偏置校正和消磁）。