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不只是一臺(tái)示波器!電源分析插件你真的會(huì)用了嗎?
發(fā)布時(shí)間:2019-06-12 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的技術(shù)性能以及其安全性和可靠性。電源測(cè)試項(xiàng)目多,計(jì)算量大,統(tǒng)計(jì)繁瑣等問(wèn)題一直困擾著工程師們,為了解決這些問(wèn)題,今天就帶您走進(jìn)開(kāi)關(guān)電源測(cè)試的新世界。
示波器電源測(cè)試分析主要實(shí)現(xiàn)使用示波器來(lái)對(duì)電源(開(kāi)關(guān)電源)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試,提高電源開(kāi)發(fā)人員的工作效率,方便對(duì)電源模塊進(jìn)行測(cè)試。主要涉及開(kāi)關(guān)電源(AC/DC)有關(guān)測(cè)試。在大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中,流行的DC電源結(jié)構(gòu)是開(kāi)關(guān)電源(SMPS),這種電源因能夠高效處理負(fù)載變化而聞名。
典型SMPS的電源信號(hào)路徑包括無(wú)源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了有損耗的元件的使用量,如電阻器和線性模式晶體管,重點(diǎn)采用(在理想條件下)沒(méi)有損耗的元件,如開(kāi)關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。其主要構(gòu)成如圖1所示。
圖1 開(kāi)關(guān)電源原理圖
開(kāi)關(guān)電源的測(cè)試參數(shù)主要包括輸入端分析、輸出端分析、磁性元件分析、開(kāi)關(guān)器件分析、調(diào)制分析、環(huán)路分析等,如下表為進(jìn)入電源分析測(cè)試界面后,對(duì)于各個(gè)測(cè)試功能的測(cè)試項(xiàng)目。首先我們先以最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試為例進(jìn)行講解。
一 開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試
1、測(cè)試原理
開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)器件總是工作在打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài),可以提供更高的效率。理想情況下,開(kāi)關(guān)器件打開(kāi)和關(guān)閉是沒(méi)有損耗的。如圖2所示。
ON = 完全導(dǎo)通(理想情況下 V = 0,意味著開(kāi)關(guān)損耗 P = V x I = 0)
OFF = 完全關(guān)閉(理想情況下 I = 0,意味著開(kāi)關(guān)損耗 P = V x I = 0)
圖2 理想開(kāi)關(guān)器件
但現(xiàn)實(shí)情況中,是在存功率損耗的。主要包括開(kāi)關(guān)損耗,傳導(dǎo)損耗。如下圖3所示。
圖3 實(shí)際損耗
針對(duì)功率損耗主要計(jì)算主要包括三部分之和:
導(dǎo)通過(guò)程損耗+關(guān)閉過(guò)程損耗+導(dǎo)通損耗
Ploss=Pon+Poff+Pcond
2、測(cè)試步驟
開(kāi)關(guān)元件分析的接線示意圖如下圖4所示。其中通道1使用高壓差分電壓探頭接開(kāi)關(guān)的兩端,通道2使用電流探頭接開(kāi)關(guān)的一端
圖4 開(kāi)關(guān)元件接線示意圖
調(diào)節(jié)好電流探頭和電壓探頭的探頭比率后,點(diǎn)擊【Analyze】進(jìn)入電源分析測(cè)試界面,在【功能】中選擇【開(kāi)關(guān)損耗】點(diǎn)擊【參數(shù)配置】進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面,如下圖5所示。參數(shù)設(shè)置用于判定開(kāi)關(guān)的狀態(tài),需要進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)有電壓通道、電流通道、參考電壓、參考電流和導(dǎo)通計(jì)算選擇。
圖5 開(kāi)關(guān)損耗參數(shù)設(shè)置
計(jì)算結(jié)果表格如圖6所示。
圖6 開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量結(jié)果
● 當(dāng)前值:該行結(jié)果為當(dāng)前樣本的計(jì)算結(jié)果。
● 最大值、最小值和平均值:統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以使用Clear進(jìn)行清除并重新開(kāi)始統(tǒng)計(jì)。
● 功率最大統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(P):瞬時(shí)功率最大值。
● 能量最大統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(E):與瞬時(shí)功率對(duì)應(yīng)的能量,其時(shí)間是一個(gè)采樣間隔。
● 功率平均值統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(P):整個(gè)樣本平均功率。
有的工程師會(huì)問(wèn)了,這么多的功率值我主要參考哪個(gè)值呢?小編建議是以當(dāng)前值為參考值哦。
圖7 dv/dt 或 di/dt 效果圖
其中:黃色為dv/dt,綠色為di/dt。
參考電壓——用來(lái)識(shí)別導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電壓值小于波形最大電壓的參考電壓百分比時(shí),認(rèn)為該狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。
參考電流——用來(lái)識(shí)別關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電流值小于波形最大電流的參考百分比時(shí),認(rèn)為該狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。
參考電壓和參考電流一般設(shè)置為默認(rèn)值就可以。
二 環(huán)路分析
環(huán)開(kāi)關(guān)電源的環(huán)路分析,可以測(cè)量系統(tǒng)的增益、相位隨頻率變化的曲線(伯德圖),分析系統(tǒng)的增益余量與相位余量,以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在被動(dòng)器件的阻抗分析中,環(huán)路分析可以觀察電容、電感的高頻阻抗曲線,測(cè)量電容ESR等。環(huán)路分析的一個(gè)重要作用就是分析開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性。
1、測(cè)試原理
掃頻測(cè)試原理主要是給開(kāi)關(guān)電源電路注入一個(gè)頻率變化的正弦信號(hào),測(cè)量開(kāi)關(guān)電源在頻域上的特性,通過(guò)分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來(lái)判斷環(huán)路是否穩(wěn)定,可以為電子工程師設(shè)計(jì)穩(wěn)定的控制電路提供直觀的數(shù)據(jù)。另外,環(huán)路分析也有單頻點(diǎn)測(cè)試功能。利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位,如圖8所示。
圖8 伯德圖及相關(guān)參數(shù)
伯德圖相關(guān)參數(shù)有:
● 穿越頻率:增益為 0dB 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率;
● 相位裕度:增益為 0dB 時(shí)對(duì)應(yīng)的相位差;
● 增益裕度:相位為 0°時(shí)對(duì)應(yīng)的增益差。
系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過(guò)伯德圖中的相位余量,增益余量,穿越頻率來(lái)衡量。
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期間,研發(fā)人員可以在開(kāi)發(fā)前期使用系統(tǒng)仿真軟件Saber、PSIM、simplis上面進(jìn)行環(huán)路電路的設(shè)計(jì)和模擬,在開(kāi)發(fā)的中后期,則可以使用ZDS3000/4000系列示波器的環(huán)路分析功能進(jìn)行實(shí)際的環(huán)路電路特性的驗(yàn)證和改進(jìn)。
2、測(cè)試步驟
開(kāi)關(guān)電源實(shí)際上是一個(gè)包含了負(fù)反饋控制環(huán)路的放大器,會(huì)放大交流信號(hào)并對(duì)負(fù)載變化作出反饋?lái)憫?yīng)。為了完成控制環(huán)路響應(yīng)測(cè)試,需要把一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)(一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號(hào)或單一頻點(diǎn)正弦波信號(hào))注入到控制環(huán)路的反饋路徑中。這個(gè)反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。我們需要把一個(gè)阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中,才能注入一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)。
例如下圖9所示的注入電阻為5Ω,注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的。所以,用戶可以考慮把這個(gè)低阻值注入電阻器作為長(zhǎng)久使用的測(cè)試器件。另外還需要使用一個(gè)隔離變壓器來(lái)隔離這個(gè)交流干擾信號(hào),從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。由于實(shí)際的注入和輸出的電壓一般都很小,因此信號(hào)注入端建議使用BNC頭轉(zhuǎn)夾子的線纜進(jìn)行信號(hào)注入,并且使用X1的探頭進(jìn)行注入端和反饋端的信號(hào)測(cè)量。
環(huán)路功能的同步環(huán)路測(cè)試時(shí),需要使用致遠(yuǎn)電子環(huán)路測(cè)試配套的信號(hào)發(fā)生模塊與ZDS3000/4000系列示波器相連,通過(guò)示波器控制信號(hào)發(fā)生模塊配合生成需要的頻率信號(hào),環(huán)路測(cè)試信號(hào)接線圖如圖9所示。
圖9 環(huán)路測(cè)試信號(hào)接線
同步環(huán)路測(cè)試的實(shí)物連接圖如圖10所示,該圖中使得一根BNC線纜連接ZDS3000/4000系列背部的觸發(fā)輸出端與信號(hào)發(fā)生模塊,信號(hào)發(fā)生模塊的輸出再用BNC線纜連接到隔離變壓器,隔離變壓器的輸出通過(guò)BNC轉(zhuǎn)夾子的線纜,將信號(hào)注入到被測(cè)板的注入電阻兩端,然后用兩根衰減比為X1的探頭,測(cè)量注入端與輸出端的信號(hào)。
圖10 環(huán)路測(cè)試實(shí)物連接
3、參數(shù)設(shè)置
點(diǎn)擊示波器面板上【Analyze】鍵,再點(diǎn)擊【環(huán)路測(cè)試】按鈕,進(jìn)入環(huán)路測(cè)試功能菜單。點(diǎn)擊【參數(shù)設(shè)置】按鈕,會(huì)彈出參數(shù)設(shè)置窗口,旋轉(zhuǎn)旋鈕A可選擇參數(shù),短按旋鈕A后可進(jìn)行參數(shù)修改,其中包括【參數(shù)設(shè)置】、【濾波設(shè)置】和【同步設(shè)置】。如圖11所示:
圖11 參數(shù)設(shè)置菜單
環(huán)路功能的運(yùn)行可以點(diǎn)擊菜單的【運(yùn)行停止】測(cè)試啟動(dòng)后,界面會(huì)切換到環(huán)路掃頻運(yùn)行的界面,功能會(huì)根據(jù)當(dāng)前采樣到的頻率、相位差、增益,不斷地繪制出頻率與相位、頻率與增益的動(dòng)態(tài)曲線,其中,藍(lán)色曲線為增益曲線,橙色曲線為相位曲線。如圖12所示:
圖12 掃頻測(cè)試運(yùn)行中
4、界面說(shuō)明
ZDS3000/4000系列環(huán)路分析功能擁有獨(dú)特的掃頻分析操作界面,對(duì)測(cè)試操作和用戶體驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新性地設(shè)計(jì),如圖13所示:
圖13 環(huán)路測(cè)試掃頻界面
包含有如下區(qū)域:
● 掃頻波形顯示區(qū)域:藍(lán)色曲線為增益曲線,橙色曲線為相位曲線,PM/GM 信息顯示在右上角,可通過(guò)旋鈕 B 進(jìn)行滾動(dòng)查看每個(gè)測(cè)量點(diǎn),并可放大顯示;
● 快捷操作觸摸按鈕區(qū)域:這個(gè)區(qū)域擁有一排快捷操作按鈕,觸摸點(diǎn)擊操作,例如可以載入校準(zhǔn)參數(shù),可以切換增益和相位曲線的顯示方式;
● 增益相位垂直刻度:顯示當(dāng)前增益曲線和相位曲線的垂直刻度,在掃頻運(yùn)行過(guò)程中,功能會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直刻度,以滿足變化的曲線顯示范圍。在掃頻結(jié)束后,用戶可以自己手動(dòng)修改垂直檔位和范圍。
● 存儲(chǔ)通道操作區(qū)域:功能可支持存儲(chǔ)8組之前的掃頻曲線,方便進(jìn)行測(cè)試之間的對(duì)比??蓪?duì)每組存儲(chǔ)通道進(jìn)行顯示隱藏、重命令、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作。
5、結(jié)果分析
過(guò)掃頻曲線伯德圖,可以直觀地看到整個(gè)頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢(shì),方便觀察和分析,做到心中有數(shù)。實(shí)測(cè)電源的掃頻曲線如圖13所示,增益裕量(GM)和相位裕量(PM)信息顯示在掃頻界面的右上角,相位裕度(PM)是指增益穿越0dB時(shí)的相位值,增益裕度(GM)是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)。
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