電源分成許多不同的類型和規(guī)格，包括傳統(tǒng)線性電源到高效的開關(guān)電源（SMPS）。所有這些電源都面臨著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求在不同時(shí)間之間可能會(huì)大幅度變化。即使是“日常的”開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均工作電流的峰值電流。
此外，必須檢定電源的功率電平、輸出純度和到電源線的諧波反饋，以滿足國家和地區(qū)電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。從歷史上看，這些測量類型意味著使用數(shù)字萬用表進(jìn)行靜態(tài)電流和電壓測量，然后在計(jì)算器或PC上進(jìn)行麻煩的計(jì)算。
今天，大多數(shù)工程師正轉(zhuǎn)向示波器作為首選的電源測量平臺(tái)。本應(yīng)用指南將重點(diǎn)介紹怎樣使用示波器進(jìn)行基本電源測量。
準(zhǔn)備電源測量
對習(xí)慣使用示波器進(jìn)行高帶寬測量的工程師來說，電源測量頻率相對較低，似乎非常簡單。事實(shí)上，電源測量也有很多高速電路設(shè)計(jì)人員從未見過的一系列挑戰(zhàn)。經(jīng)過開關(guān)設(shè)備的電壓可能會(huì)非常大，而且是“浮動(dòng)的”，即沒有參考接地。信號(hào)的脈寬、周期、頻率和占空比會(huì)變化，必須如實(shí)地捕獲波形，分析其不理想特點(diǎn)。
示波器必須具有基本帶寬和采樣率，處理SMPS內(nèi)部的開關(guān)頻率。電源測量要求示波器至少有兩條通道，一條用于電壓測量，一條用于電流測量。提高電源測量簡便程度和可靠性的工具也同樣非常重要。下面是部分考慮因素：
是否提供安全精確的電壓和電流探測解決方案？
是否有一種快速方式，調(diào)節(jié)探頭的不同延遲？
是否有使探頭偏置達(dá)到最小的有效流程？
儀器能否配備充足的記錄長度，以高分辨率捕獲很長的工頻波形？
這些特點(diǎn)為有效執(zhí)行電源設(shè)計(jì)測量奠定了基礎(chǔ)。
安全準(zhǔn)確地探測電壓波形和電流波形
在使用數(shù)字示波器進(jìn)行電源測量時(shí)，必須測量設(shè)備中的電壓及電流。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只電壓探頭(通常是高壓差分探頭)，一只電流探頭。圖1顯示了開關(guān)式電源(SMPS)中的典型測量方案。在范圍在幾kHz到幾MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)控制著電流。
測量經(jīng)過MOSFET的電流相對簡單，可以使用許多不同的泰克霍爾效應(yīng)電流探頭完成，如TCP0030。而測量電壓則會(huì)面臨更多的問題。MOSFET沒有連接到交流電源接地或電路輸出接地上。因此，不可能使用示波器進(jìn)行接地參考電壓測量，因?yàn)榘烟筋^的地線連接到任何MOSFET端子上都會(huì)使通過示波器接地的電路短路。
進(jìn)行差分測量是測量MOSFET電壓的最佳方式。在差分測量中，可以測量漏極到源極電壓(VDS)，即MOSFET漏極和源極端子中的電壓。VDS可以位于幾十伏到幾百伏電壓的頂部，具體視電源的范圍而定。
可以通過多種方法測量VDS：
浮動(dòng)示波器的機(jī)箱接地。絕對不要采用這種方式，因?yàn)檫@種非常不安全，會(huì)給用戶、被測設(shè)備和示波器帶來危險(xiǎn)。
使用傳統(tǒng)無源單端探頭，把地線相互連接起來，使用示波器的通道匹配功能。這種測量方式稱為準(zhǔn)差分測量。但是，無源探頭與示波器的放大器結(jié)合使用時(shí)，不能提供充分阻塞任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)。盡管用戶可能很想使用這種方法，因?yàn)榭梢允褂靡延械奶筋^，但它并不能準(zhǔn)確地測量電壓。
使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機(jī)箱接地。探頭的地線不再位于接地電位，可以把探頭直接連接到測試點(diǎn)上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但它成本高，通常是差分探頭的2～5倍。
使用真正差分探頭。高壓差分探頭(如泰克P5205)可以準(zhǔn)確安全地測量VDS。
消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯
每只電壓探頭和電流探頭都有自己的特性傳播延遲。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱為時(shí)滯，會(huì)導(dǎo)致幅度和定時(shí)測量不準(zhǔn)確。
必須了解探頭的傳播延遲對最大峰值功率和面積測量的影響，因?yàn)楣β适请妷汉碗娏鞯某朔e。如果兩個(gè)相乘的變量沒有完美對準(zhǔn)，那么會(huì)得到不正確的結(jié)果。在探頭沒有正確“校正時(shí)滯”時(shí)，測量精度會(huì)下降，如開關(guān)損耗。
