2021年06月11日 | 用示波器进行省电状态下的 ITX_COIL 测量（信标）

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。使用不间断电流时，很多一致性测试测量执行起来相对容易一些，但是在省电状态（信标）下执行时序和电流测量会复杂很多。您可能没有意识到，许多先进的示波器设置和测量都能实现上述测量，并能增强 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 2 部分（总计三篇）。本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 3 部分主要讲功率和效率测量。参阅第 1 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 A4WP 省电状态（信标）测量和主题都包含在这个文件中：

优化垂直标度

测量长信标和短信标需要您首先优化 ITX_COIL 波形的垂直标度。但是，对于有着极低占空比的猝发信号（例如 ITX_COIL 信标），示波器的 AutoScale 特性是不可靠的。

对于信标时序测量，大多数工程师会把示波器设置在水平“滚动”模式和缓慢时基范围，例如50 ms/ 格或更低，然后依靠视觉判断去手动调整示波器的垂直标度（A/ 格）。在“滚动”模式中，输入信号（此处为 ITX_COIL 信标）被实时捕获，没有触发。波形从示波器显示屏的右边滚动到左边。

图 1 显示了示波器在滚动模式下以 200 ms/ 格的速度捕获了 ITX_COIL，长信标周期为 1000 ms（在屏幕上出现了 2 秒钟）。

图 1. 使用示波器的滚动模式来观察 ITX_COIL 信标。

为了执行时序测量，例如长信标和短信标的宽度和 / 或周期时间，工程师通常在看到正在寻找的波形码型时停止示波器的采集，手动把时序光标在波形上定位。这种测量方法不能自动执，它会产生低分辨率的测量结果，而且容易产生误差。另外，在滚动模式下和缓慢时基范围内捕获波形时，对一小部分的信标进行斜率、RMS 电流和 / 或信标频率测量，这是不可能完成的。

使用 Keysight InfiniiVision X 系列示波器提供的各种专业触发模式、波形数学函数和测量，工程师能够以最高测量分辨率和精度自动完成所有必要的信标测量。首先把霍尔交流探头（例如 Keysight N2893A 或 1147B）连接到示波器的一个输入通道上（通常是通道 1）。然后校准这个电流探头（偏置和消磁）。关于电流探头校准的详细信息，请参阅附录 A。下一步，在省电模式（信标）下，把电流探头和 PTU 的 ITX_COIL 信号连接在一起，然后按照指示（手动或在程序控制下）去优化垂直标度（不使用 AutoScale）。

1. 默认设置。
2. 将 ITX_COIL 通道（通常是通道 1）的输入耦合模式设置为交流。
3. 将 ITX_COIL 的垂直标度设置为 2 A/ 格。
4. 选择水平滚动模式（水平菜单）。
5. 选择峰值检测采集模式（采集菜单）。
6. 将时基设为 500ms/ 格。
7. 如果是手动设置示波器，可以调整它的垂直标度，直至波形垂直扩展了将近 7 格峰峰值。注意：如果您按下垂直标度旋钮，您可以微调和粗调比例系数。
8. 如果您在计算机控制下进行自动设置，可以在 2A/ 格的初始设置下测量峰峰值电流电平，然后根据测量结果把垂直 A/格设置重新调整为大约 4 格峰峰值（A/格设置 = ITX_COIL p-p/4）。
9. 重复第 8 步，得到了大约 7 格峰峰值（A/ 格设置 = ITX_COIL p-p/7）。
短信标周期（tCYCLE）

示波器输入通道（通常是通道 1）的垂直标度经过优化后，在短信标内进行各种时序和电流测量需要您把示波器设置为在隔离短信标上触发。换句话说，短信标不会和长信标级联。这可以通过使用示波器的脉冲宽度触发模式在任意短信标（包括那些与长信标级联的短信标）上触发来完成，然后使用示波器的区域触发功能来限定隔离短信标。为了测量短信标接通周期（tCYCLE），继续下面的步骤：

10. 把水平时间模式从滚动变成常规（水平菜单）。
11. 将时基设为 50 ms/ 格，时延 / 水平位置 = +200 ms。
12. 将触发模式设置为常规（触发模式 / 耦合菜单）。
13. 将触发源设置为 ITX_COIL 通道（默认是通道 1）。
14. 启动噪声抑制（触发模式 / 耦合菜单）。
15. 把触发电平设置在空闲电平的 1 格以上。如果自动设置，触发电平应与最终垂直 A/ 格设置一致。例如，如果 A/ 格设置是 500 mA/ 格，可将触发电平设为 +500 mA。
16. 基于以下标准，选择脉冲宽度触发：
– 信号源 = ITX_COIL 通道（通常是通道 1）
– 脉冲极性 = 负
– 时间限制： > 100 ms

图 2：使用脉冲宽度触发同步任意短信标，包括那些与长信标级联的短信标。

您的示波器应当在短信标开始时触发，包括那些与长信标级联的短信标，参见图 2。我们现在可用区域触发来撤销任何包含长信标的采集。继续下面的步骤：

17. 使用示波器的触摸屏，在第一个短信标开始后大约 30 ms 处、空闲电平下方绘制一个区域方框（Zone1）。
18. Zone1 选择“不得交叉”。
19. 在第二个短信标开始后大约 30 ms 处、空闲电平下方绘制另一个区域方框（Zone2）。
20. Zone2 选择“不得交叉”。

示波器应显示两个隔离的短信标，如图 3 所示。如果您使用 SCPI 命令在计算机控制下自动完成设置过程，可以定义这两个区域框的高度、宽度和位置。如欲了解区域触发的更多信息，参见本文末尾列出的应用指南。

图 3. 使用区域触发隔离非级联短信标。

为了测量短信标周期时间（tCYCLE），我们将启用示波器的最大保持波形数学函数，然后在波形上执行指定的测量。继续下面的步骤：

21. 基于以下标准，启用 Math1 波形数学函数：
– 运算符 = 最大保持
– 信号源 = ITX_COIL 通道
– 把 Math1 垂直标度设为与 ITX_COIL 通道的垂直标度相等。
22. 信号源 = Math1 时，选择周期测量。

图 4 给出了测量结果。示波器的最大保持波形数学函数（在 ITX_COIL 上方的紫色波形）标绘了 ITX_COIL 的正极端值。该函数绘制了一个形似短信标脉冲宽度的波形。

示波器在最大保持波形上进行周期测量，它测量了短信标的周期时间（tCYCLE），数值应为 250 ms ±5 ms。此时，示波器提供了 10 μs 的测量分辨率。

图 4. 使用示波器的最大保持波形数学函数和周期测量功能去测量 tCYCLE（短信标周期）。

短信标接通周期（tSHORT_BEACON）

我们还可以在测量短信标猝发（tSHORT_BEACON）的宽度时使用与之前 tCYCLE 测量（50 ms/ 格）相同的时基设置，如果只是放大一个短信标，我们能够获得更高的分辨率和更精确的 tSHORT_BEACON 测量。要测量 tSHORT_BEACON，继续下面的步骤：

23. 将时基设置改为 5 ms/ 格，时延 / 水平位置 = +20 ms。
24. 信号源 = Math1 时，选择 +Width 测量。

图 5 显示了 tSHORT_BEACON 测量的结果，数值在 10 ms 到 30 ms 之间。在该测量实例中，tSHORT_ BEACON 测得的值是 10.002 ms。

图 5. 使用示波器的 +Width 测量去测量最大保持数学波形上的短信标宽度（tSHORT_BEACON）。

ITX_COIL 的短信标跳变建立时间

短信标跳变建立时间是指短信标从空闲电流电平跳变到稳态电流电平的 90% 所用的时间。基于定制测量阈值电平，它可以使用示波器的上升时间测量在最大保持波形上测得。为了测量短信标跳变建立时间，继续下面的步骤：

25. 信号源 = ITX_COIL 通道时，选择上升时间测量。
26. 把 Math1 下限测量阈值电平改为 1%。

上升时间测量的默认下限测量阈值电平是 10%，默认上限是 90%。通过把下限测量阈值电平改为 1%，在最大保持波形上进行的上升时间测量将能提供 ITX_COIL 从 1% 到 90% 的跳变建立时间测量（图 6）。此时，测得的跳变建立时间大约是 2.54 ms。虽然最大规定跳变建立时间是指电流在 250 ms 内达到稳态电平的 90%，但对于短信标，它的最大建立时间是 10 ms，也是最小短信标接通周期。

图 6. 测量短信标的跳变建立时间。

ITX_COIL 的短信标斜率

只需把之前的上升时间测量的阈值电平改为 45%（下限阈值）和 55%（上限阈值），就能轻松地测电流电平变化的斜率量。使用 X 和 Y 游标跟踪这个上升时间测量，然后从光标菜单中读取 ΔY/ΔX 值，您就可以测量斜率（A/s）。但是，因为这个测量是在最大保持波形上进行的，它标绘了 ITX_COIL 的峰值，所以斜率测量会与峰值电流电平的变化成比例——不是 RMS 电流电平变化。要想转换成 RMS 斜率，您只需要把这个值乘以 0.707。或者，斜率与 RMS 电流电平变化的关系可通过第二个波形数学函数直接测得，自动使用最大保持数学函数去表示 RMS 电流电平。为了直接测量斜率与 RMS 电流电平变化的关系，继续下面的步骤。

27. 基于以下参数，启用 Math2 波形数学函数：
– 运算符 = Ax + B
– 信号源 = Math1（最大保持）
– A = 0.707
– B = 0
28. 设置 Math2 垂直标度 = ITX_COIL 通道垂直标度
29. 信号源 = Math2(Ax+B) 时，选择上升时间测量。
30. 把 Math2 测量阈值电平改为下限 = 45%，上限 = 55%。
31. 选择光标菜单。
32. 记录 ΔY/ΔX。

最大斜率技术指标因所选的 PTU 谐振器不同而有所差别，一般在 100 mArms/ms 至 160 mArms/ms 之间。不过，在短信标开始时的跳变是一个例外，稳态 RMS 电流电平必须在 10 ms 内获得，这意味着短信标可以超出最大斜率技术指标。此时，短信标斜率测量的结果是 231 A/s，等同于 231 mArms/ms。

图 7. 测量电流电平变化的斜率，单位是 Arms/s。

短信标 RMS——周期电流（ITX_SHORT_BEACON）和频率

为了测量在短信标中的 ITX_COIL 的 RMS – 周期电流和频率，继续下面的步骤：

33. 关闭数学波形。
34. 清空所有测量。
35. 设置时延（水平位置），使其大于短信标跳变建立时间且小于短信标宽度。
36. 将时基设为 500 ns/ 格。
37. 信号源 = ITX_COIL 通道（通常是通道 1）时，选择交流 RMS- N 周期测量。
38. 信号源 = ITX_COIL 通道时，选择频率测量。
39. 打开测量统计工具。
40. 重置状态。

图 8 显示了短信标中的 ITX_COIL 交流 RMS – 周期电流和频率测量。为了保证在短信标的稳态部分执行了这个 RMS 电流测量，时延 / 水平位置被设为了 8 ms。打开测量统计工具，工程师能以 100 Hz 分辨率去测量频率，以 10 μA 分辨率去测量 RMS 电流。

注意：不可以应用波形平均值（采集菜单）。因为这些测量是在触发点（短信标的开始）之后的 8 ms 处进行，PTU 的谐振频率相对于示波器时基产生了相位抖动，波形平均值可能会引起误差。但是由于 RMS 电流测量的时基设置是 500 ns/ 格，每个测量实际上都是基于交流电流的 33 个周期的平均值。另外，测量统计工具提供了额外的测量平均值，实现极高分辨率的测量。

另请注意，您不能使用频率计数器去测量猝发信号的频率，例如信标。您必须使用标准频率参数测量，实际上它是一个周期内周期测量的倒数。频率计数器具有更高的精度和分辨率，只可以用于当 ITX_COIL 为连续电流时，测量它在功率传输状态下的频率。有关这个测量的其他信息，请参阅应用指南系列的第 1 部分。

图 8. 测量短信标中的 ITX_COIL 交流 RMS – 周期电流和频率。

长信标接通周期（tLONG_BEACON）

大多数长信标时序和电流测量使用了与短信标测量相同的脉冲宽度触发设置（> 100 ms），在短信标开始时触发。不过，为了限定那些与长信标级联的短信标（不是隔离的短信标），我们必须把区域触发条件从“不得交叉”切换为“必须交叉”。长信标周期（tLONG_BEACON_PERIOD）是唯一需要不同的脉冲宽度触发条件的长信标时序测量，这个我们留到最后再谈。为了测量长信标接通周期（tLONG_BEACON），继续下面的步骤：

41. 清空所有测量。
42. 将时基设为 20 ms/ 格。
43. 将水平时延 / 位置设为 80 ms。
44. 将区域触发 Zone #1 从“不得交叉”改为“必须交叉”。
45. 基于以下标准，启用 Math1 波形数学函数：
– 运算符 = 最大保持
– 信号源 = ITX_COIL 通道（通常是通道 1）
– 把 Math1 垂直标度设为与 ITX_COIL 通道的垂直标度相等。
46. 信号源 = Math1 波形时，选择 +Width 测量。

通过把区域触发设置为“必须交叉”，您的示波器现在应在与短信标级联的长信标上实现同步，如图 9 所示。在最大保持波形上的 +Width 测量可以测量 tSHORT_BEACON 和 tLONG_BEACON 的宽度。为了确定 tLONG_BEACON，只需从 +Width 测量中减去之前测得的 tSHORT_BEACON 测量结果（图 5），即（114.3 ms – 10.0 ms = 104.3 ms）。长信标接通周期（tLONG_BEACON）技术指标是 105 ms ± 5 ms，这个测量符合技术指标。

图 9. 测量 tLONG_BEACON + tSHORT_BEACON。

ITX_COIL 的长信标跳变建立时间

当电流电平从短信标末端跳变到长信标开始时，如果电流有着明显的差别，那么就能测量这个跳变建立时间。如果电流中的变化不超过 5%，那么就无法执行此类测量。假设电流有着很大的变化，请按照下面的步骤去测量长信标跳变建立时间：

47. 打开缩放时基模式（按下前面板的放大镜按钮）
48. 基于下面的条件，调整缩放时基（s/ 格）和时延 / 水平位置：
– 设置缩放时基在短信标到达稳态电平之后开始。
– 设置缩放时基在长信标到达稳态电平之后结束。
49. 基于以下标准，启用 Math2 波形数学函数：
– 运算符 = 平滑
– 信号源 = Math1（最大保持）
– 平滑点数 = 501
50. 扩大 Math2 波形的比例（使用前面板数学板块中的旋钮）
51. 信号源 = Math2 时，选择上升时间测量
52. 把 Math2 下限测量阈值电平改为 1%，, 上限阈值电平设为 90%。

图 10 显示了跳变建立时间（上升时间），从短信标跳变到了电流电平更高的长信标。因为电流的这个变化相对较小，在最大保持波形（电流的正峰值）上执行上升时间测量就不会有足够的分辨率。为改进波形和测量分辨率，我们对最大保持波形（Math1）应用了一个 501 点平滑滤波器（Math2），再把 Math2 波形从垂直方向上进行扩展并放在显示屏中间，这样就能在经过平滑处理的波形上进行 1% 到 90% 上升时间测量。

图 10. 测量短信标和长信标间的跳变建立时间。

ITX_COIL 的长信标斜率

长信标斜率测量的测量方法与短信标的类似。不过，它要求在短信标电流和长信标电流间的电流电平有明显的提升。假设您的 PTU 的电流增加了至少 5%，请继续下面的步骤以完成长信标斜率测量：

53. 基于以下标准，启用 Math3 波形数学函数：
– 运算符 = Ax + B
– 信号源 = Math2
– A = 0.707，B = 0
信号源 = Math3 时，选择上升时间测量
54. 把 Math3 下限测量阈值电平改为 45%。
55. 把 Math3 上限测量阈值电平改为 55%。
56. 选择光标菜单。
57. 记录 ΔY/ΔX。

图 11 给出了长信标斜率测量的结果。简而言之，Math1（最大保持）波形标绘了 ITX_COIL 的正峰值。 Math2（平滑）标绘了经过滤的 ITX_COIL 正峰值。Math3（Ax + B）调整了 ITX_COIL 经过滤的正峰值，可以表示 ITX_COIL 的 RMS 近似值。缩放时基在短信标跳变至长信标的区域上建立了一个测量窗口。在 RMS 波形（Math3）上进行的上升时间测量，阈值电平是在 45% 到 55% 之间，它把 X 和 Y 光标定位在最大斜率出现的位置，所以我们可以读取 ΔY/ΔX 的值，并把它作为斜率记录。

图 11. 测量长信标斜率。

长信标 RMS 电流（ITX_LONG_BEACON）和频率

现在，我们已经准备好放大波形，执行长信标 RMS – 周期电流和频率测量。
59. 关闭所有的波形数学函数
60. 清空所有测量。
61. 关闭缩放时基。
62. 将时延 / 水平位置设为 ~+50 ms。
63. 将时基设为 500 ns/ 格。
64. 信号源 = ITX_COIL 通道时，选择交流 RMS- N 周期测量。
65. 信号源 = ITX_COIL 通道时，选择频率测量。

图 12 给出了在长信标上进行交流 RMS 测量的结果。在这个时基设置下，长信标的重复率非常低（低至 0.33 Hz），波形轨迹的亮度将会非常弱。通过按下前面板上的亮度按钮（位于阴影区域的通用旋钮下方），再旋转那个旋钮，即可增加轨迹亮度。

示波器将不会在您从显示屏上看到的波形上触发。示波器将在短信标（在长信标之前）的开始处进行触发，采集时延是 50 ms。因为相位抖动的存在（PTU 的谐振频率相对于示波器的稳定时基产生了相位抖动），这里不能使用波形平均值。不过，在这个时基设置下，每个 RMS 电流测量实际上是大约 30 个周期的平均值。如果需要额外的分辨率，那么请打开测量统计工具。需要注意的是，累积有效的测量统计数据会耗费很长时间。在这个特定的测量实例中，长信标是以 3 秒为间隔出现。如果您想要计算 10 个测量的平均值，它将需要 30 秒钟。示波器在出现长信标时会尽快地触发，实际速度很慢。

图 12. 测量长信标中的 RMS 电流和频率。

长信标周期（tLONG_BEACON_PERIOD）

测量长信标周期（tLONG_BEACON_PERIOD）要求示波器在长信标后面的第一个短信标上触发。这可以通过改变脉冲宽度触发条件、关闭区域触发来实现。为了测量长信标周期（tLONG_BEACON_ PERIOD），继续下面的步骤：

66. 关闭所有的波形数学函数。
67. 清空所有测量。
68. 关闭区域触发。
69. 将时基设为 500 ms/ 格。
70. 将时延 / 水平位置设为 1.5 秒。
71. 基于以下标准，选择脉冲宽度触发：
– 信号源 = ITX_COIL 通道（通常是通道 1）
– 脉冲极性 = 负
– 时间限制：> 100 ms，< 160 ms
72. 基于以下标准，启用 Math1 波形数学函数：
– 运算符 = 最大保持
– 信号源 = ITX_COIL 通道

图 13 显示了示波器在长信标后面的第一个短信标上触发。Math1（最大保持）波形数学函数标绘了 ITX_COIL 的正峰值。我们现在需要测量这一个长信标到下一个长信标的数据。为此，我们创建另一个数学波形（测量趋势），它将标绘最大保持波形的宽度。继续下面的步骤：

图 13. 使用脉冲宽度触发，在某个时间范围内对长信标后面的第一个短信标进行触发。

73. 基于以下标准，启用 Math2 波形数学函数：
– 运算符 = 测量趋势
– 信号源 1 = Math1（最大保持）
– 测量 = +Width
74. 在 Math2 波形上选择周期测量

图 14 显示了长信标周期（tLONG_BEACON_PERIOD）测量。这个测量相当复杂。最大保持数学函数在后台运行，标绘了 ITX_COIL 的正峰值，形似信标猝发（长信标和短信标）的脉冲宽度。Math2 函数是基于在 Math1 波形（最大保持）上进行的一组 +Width 测量（测量趋势数学函数），它在垂直轴上标绘了每个信标的宽度，在水平轴上标绘了时间（测量时间与示波器时间）。将示波器的时基设为 500 ms/ 格（在屏幕上出现了 5 秒钟），您应当观察到两个或多个大的 Math2 脉冲。

大脉冲是在每次出现长信标的时候而出现。脉冲的高度与每个级联短信标 + 长信标的宽度成正比。在波形（Math2）上的周期测量测量了长信标的周期，即 LONG_BEACON_PERIOD。长信标电流应在 850 ms 到 3000 ms 之间。

图 14. 测量长信标周期（tLONG_BEACON_PERIOD）。

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。