2021年05月26日 | 示波器进行功率和效率测量

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 3 部分（总计三篇）。本篇主要讲功率和效率测量。第 1 部分主要讲在功率传输状态（无信标）下执行 ITX_COIL 测量，第 2 部分主要讲在省电状态（信标）下执行 ITX_COIL 测量，包括信标时序。参阅第 1 和 2 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说明。注意：每个测量都建立在先前记录的测量的基础上。

下面的主题和测量都包含在这个文件中：

– 对电压探头和电流探头进行偏移校正

– 测量 PTU 和 / 或 PRU 谐振器功率

– 谐振耦合效率（RCE）

– PTU 效率（PIN_DC 至 PTU 线圈）和 PRU 效率（PRU 线圈至 POUT_DC）

– 选择正确的电流探头

– 选择正确的差分有源电压探头

在 A4WP 一致性测试规范文档中，功率和效率测量不是必要的示波器测量。从理论上，传输功率和效率是由内部报告的参数及其他测量决定的，包括使用网络分析仪测得的 PTU 和 PRU 线圈上的 S 参数。但在 PTU 和 / 或 PRU 设计阶段，工程师往往需要用示波器去测量他们的无线充电系统在不同负载条件下的特征。可用示波器测量 PTU 和 PRU 在不同的功率传输阶段中的功率和效率，以便优化您的设计。

使用示波器捕获电压和电流波形，再用示波器的一个波形数学函数使两者相乘，可得到一个瞬时功率波形，功率测量也能完成。在波形周期的整数倍求取功率波形的平均值，即可完成功率测量。如果您的示波器安装了功率测量选件（DSOX3PWR或 DSOX4PWR），功率测量可以自动进行。不过，当 PTU 和 / 或 PRU 谐振器在 6.78 MHz 上运作时，在执行功率和 / 或效率测量之前有一个很重要的步骤（手动或自动测量）是对您的电压和电流探头进行偏移校正。电压探头和电流探头之间有着几纳秒的时延差，就会导致该频率上功率和效率测量的精度大为不同。

对电压探头和电流探头进行偏移校正

我们可以捕获两个同相电压和电流信号，再针对一个探头去手动调整另一个探头的偏移（时延校正），从而完成电压和电流探头（功率测量必备）的偏移校正。但是，Keysight InfiniiVision X 系列示波器结合功率测量选件，即可自动完成偏移校正。还要求使用夹具来提供时序一致的电压和电流信号，例如 Keysight U1880A 偏移校正夹具。不过，您使用几个简单部件也能轻松地组建您自己的偏移校正夹具，它能提供更好的偏移校正精度。注意：您还需要在 InfiniiVision X 系列示波器上运行的 WaveGen 选件，或者您可以把外置函数发生器当做输入信号源，与您的定制偏移校正夹具搭配使用。

图 1 显示了一个简单的定制偏移校正夹具，由一个 10-Ω 电阻器和一个 BNC- 抓取器适配器组成。将偏移校正夹具连接到示波器上的 WaveGen 输出，或是外置函数发生器的输出。按照下面的条件去设置 WaveGen（或函数发生器）：

1. 频率 = 6.78 MHz
2. 波形形状 = 正弦波
3. 输出阻抗 = High Z
4. 幅度 = 10 Vpp（使用 3000X 示波器则为 5 Vpp）
5. 输出 = 启用（接通）

图 1. 定制偏移校正夹具，包含一个10-Ω 电阻器。

下一步，将您的差分电压探头连接到 10-Ω 电阻器的对面，然后固定在 10-Ω 电阻器的周围。确保这两个探头的极性相同。现在，您已经准备好对您的探头进行偏移校正，这样能够实现精确的功率和效率测量。使用配有功率测量选件的 InfiniiVision X 系列示波器，完成下列操作。

1. 默认设置（注意，这不是默认 WaveGen 设置）。
2. 选择功率测量应用（分析菜单）。
3. 在分析功能键下，选择电能质量测量。
4. 在信号功能键下，定义哪个输入是电压（通常是通道 1）、哪个输入是电流（通常是通道 2）。
5. 选择偏移校正。
6. 如果使用 U1880A 偏移校正夹具，请遵循屏幕上的提示。
7. 如果使用定制的偏移校正夹具（10-Ω 电阻器和发生器），可忽略屏幕上的提示，直接按下自动偏移校正。

图 2 显示了当探头完成自动偏移校正时的电压波形（黄色轨迹，通道 1）和电流波形（绿色轨迹，通道 2）。在运行自动偏移校正之前，通道 2 电流探头捕获到的信号与通道 1 电压探头捕获的信号相差 8.44 ns，但是现在，两条通道上的波形几乎是时序一致的。如果不使用 8.44 偏移校正系数，您就会看到两条轨迹有着时延，不使用这个系数去执行功率测量就会产生严重的误差。

图 2. 在运行了自动探头偏移校正后，电压和电流波形时序一致

现在，示波器能够使用这对通道（通道 1 和通道 2）在 PTU 谐振器或 PRU 谐振器上进行功率测量。如果您计划在 PTU 谐振器和 PRU 谐振器上执行效率测量，您需要使用四条示波器通道；一对通道用于输入功率测量（通常是通道 1 和通道 2），另一对用于输出功率测量（通常是通道 3 和通道 4）。此时，您还需要对第二组电压和电流探头进行偏移校正。在对通道 3 和 4 进行第二次自动偏移校正后，可将通道 2 相对于通道 1（这对通道的基准）进行偏移校正，再对通道 4 相对于通道 3（这对通道的基准）进行校正。您无需对这两对通道进行相对的偏移校正。

注意：如果您打算使用一对探头在直流电源上进行效率测量，例如 PRU VRECT 输出，您就不必再对直流通道对上的探头进行偏移校正，并无任何关联。

测量 PTU 和 / 或 PRU 谐振器功率

如果您的 Keysight InfiniiVision 示波器安装了功率测量选件（DSOX3PWR 或 DSOX4PWR），测量不同的电能质量参数就会非常简单，包括实际功率、视在功率、无功功率。在对您的差分电压和电流探头进行了偏移校正后，将探头连接到被测谐振器（PTU 或 PRU），保证能够观察到连接的极性。接下来完成以下步骤：

1. 默认设置。
2. 选择功率应用（分析菜单）。
3. 在分析功能键下，选择电能质量测量。
4. 在信号功能键下，定义哪个通道是电压（通常是通道 1）、哪个输入通道是电流（通常是通道 2）。
5. 设置周期数 = 6。
6. 按下自动设置。
7. 按下应用开始电能质量测量。
8. 为通道 1 选择交流耦合。
9. 为通道 2 选择交流耦合。

图 3 显示了 PTU 线圈上的交流电能质量测量。黄色轨迹（通道 1）是谐振器上的差分电压波形（VTX_COIL）。绿色轨迹（通道 2）是谐振器上的电流波形（ITX_COIL）。紫色轨迹是瞬时功率波形（Vxl).

图 3. 测量 PTU 谐振器的电能质量，包括实际功率。

您可能最关注的参数是“实际”功率（图中红圈内），此处测得的是 4.35 W。如果您测量的实际功率是负值，那么您可能把一个探头接反了。转换其中一个探头的连接极性。不论您选择转换哪一个探头，只要保证它们同相就好。

图 4 显示了 PRU 线圈上的交流电能质量测量。在这个测量中，通道 3 差分电压探头捕获了 PRU 电压信号（VRX），通道 4 电流探头捕获了 PRU 电流信号（IRX）。

因为测量是在功率传输状态（无信标）下进行，为了提高电能质量测量的测量分辨率，您可以启动波形平均值（采集菜单）。

图 4. 测量 PRU 谐振器电能质量。

测量谐振耦合效率（RCE）

谐振耦合效率（RCE）测量的是线圈间效率（PTU 至 PRU）。如前所述，使用示波器进行 RCE 测量属于非一致性测试。从理论上，使用网络分析仪对 PTU 和 PRU 线圈（电路外部）进行 S 参数测量，可得到 RCE。不过，您可以使用 InfiniiVision 示波器在正常运作的 A4WP 无线充电系统中进行定性分析，测量 RCE，从而达到优化无线充电设计的目的。为了执行 PTU-PRU 效率（RCE）测量，使用一台 InfiniiVision 示波器完成下列操作：

1. 默认设置。
2. 选择功率应用（分析菜单）。
3. 在分析功能键下，选择效率测量。
4. 选择类型 = 交流至交流。
5. 在信号功能键下，定义哪个通道被当做输入电压和电流通道，哪个通道被当做输出电压和电流通道。
6. 设置持续时间 = 2 μs。
7. 按下自动设置。
因为示波器的效率测量最适合在交流 - 直流开关电源上进行，该电源的工作频率低于 A4WP 无线充电系统，所以在开始效率测量之前，我们需要改变示波器的部分设置。
8. 在示波器的输入通道菜单上，（通道 1、2、3、4）关闭带宽限制。
9. 重新调整垂直设置（V/ 格和 A/ 格），保证所有波形都在屏幕上完整地显示（无限幅）。
10. 选择分析菜单上的功率应用，再选择应用。

图 5 显示了使用 InfiniiVision 示波器进行 RCE 测量。在这个测量实例中，示波器测得的效率约为 82%。如果您观察到测量结果“小于”或“大于”这个值，表明其中一个或多个波形可能被限幅（波形的一部分没有显示在屏幕上）。注意：只有 Pin (PTX) 功率波形会显示。如欲查看和重新调整这个 Pout (PRX) 功率波形，请选择数学函数菜单，打开 Pout 波形，随后您可以重新调整。

图 5. 测量谐振耦合效率（RCE）。

测量 PTU 效率（PIN-DC 至 PTU 线圈）和 PRU 效率（PRU 线圈至 POUT-DC）

为了测量 PTU 效率，请执行以下操作：

1. 默认设置。
2. 选择功率应用（分析菜单）。
3. 在分析功能键下，选择效率测量。
4. 选择类型 = 直流至交流。
5. 在信号功能键下，定义哪个通道被当做输入电压和电流通道，哪个通道被当做输出电压和电流通道。
6. 设置持续时间 = 2 μs。
7. 按下自动设置。
8. 关闭输出电压和电流通道（PTU 线圈）上的带宽限制。
9. 重新调整输出通道波形，保证不会出现限幅。
10. 选择功率应用，再选择应用。

图 6 显示了 PTU 效率测量实例。

图 6. 测量 PTU 效率（PIN-DC 至 PTU 线圈）。

要测量 PRU 效率（PRU 线圈至 POUT-DC），重复上述步骤，但不包括“选择类型 = 交流至直流” （第 4 步），关闭输入电压和电流通道（PRU 线圈）上的带宽限制。图 7 显示了 PRU 效率测量，测得的效率大约是 75%。

图 7. 测量 PRU 效率（PRU 至 POUT-DC）。

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）。

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）。