
電源測量小貼士,第1篇(共10篇):元器件選擇和特性分析
編者按:電源設(shè)計(jì)人員的需求正變得越來越高,他們面臨著巨大的壓力,需要改善效率,降低成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。電源設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,這一過程有許多校驗(yàn)點(diǎn)。在這組博文中,我們將向您介紹10個(gè)設(shè)計(jì)階段中每個(gè)設(shè)計(jì)階段的測試要求,并給出小貼士,讓您的測試更高效,讓您的生活更輕松。
某些關(guān)鍵電源元器件,如MOSFETs和IGBTs,應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選擇,如額定電壓和電流、開機(jī)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間、輸入和輸出電容、開點(diǎn)狀態(tài)電阻和閉點(diǎn)狀態(tài)特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)的這個(gè)階段沒有原型,很難仿真預(yù)計(jì)的額定電流和電壓。解決這個(gè)問題的最好方式是使用源測量單元,它可以驅(qū)動(dòng)幾十安培的電流,生成可以測量的電壓。這有助于為應(yīng)用獲得實(shí)際I-V特點(diǎn)。可以使用相同的設(shè)備,測量開點(diǎn)狀態(tài)特點(diǎn)的小的差異,如柵極閾值電壓、增益和開點(diǎn)電阻。同樣,對低電流閉點(diǎn)狀態(tài)測量,如泄漏電流,可以使用儀器,提供高電壓,生成可以測量的電流。
對擊穿電壓,確保提供的電壓是器件工作電壓的幾倍,以便測量擊穿電壓。在簡單的兩端子器件或比較復(fù)雜的三四端子晶體管上測量器件電容相對于電壓關(guān)系時(shí),一定要使用能夠測試器件DC工作電壓整個(gè)范圍的電容測量系統(tǒng)。注意,傳統(tǒng)LCR儀表會(huì)告訴你電容,但不是在整個(gè)工作電壓中。
吉時(shí)利源測量單元可以作為四合一儀器:電壓/電流源、電壓/電流表、掃描分析儀、函數(shù)發(fā)生器,為這類測試提供了完美的解決方案。源表還包括可編程負(fù)載,可以測量元器件上的I-V特點(diǎn),從幾µV到3 KV,從幾fA到100 A。一個(gè)很好的插件是IVy應(yīng)用,可以從Google Play下載,適用于安卓智能手機(jī)或平板電腦,您可以在元器件上無縫執(zhí)行電壓-電壓(I-V)特性分析。
IVy應(yīng)用可以從Google Play中為安卓設(shè)備免費(fèi)下載,可以方便地檢查元器件上的I-V特點(diǎn)。這是一個(gè)研討會(huì)鏈接,我們的專家介紹了怎樣分析和驗(yàn)證功率半導(dǎo)體的性能。
一旦選擇元器件,設(shè)計(jì)出原型,那么需要開機(jī)。在這一系列博文的下一篇博文中,我們將考察低壓DC電路開機(jī)測試,并提供多種小貼士,確保您能夠準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)計(jì)的性能。

原型制作是設(shè)計(jì)中比較激動(dòng)人心的步驟之一。在這個(gè)階段,在理想情況下,您已經(jīng)看到設(shè)計(jì)愿景就要變成現(xiàn)實(shí),如果一切能夠照計(jì)劃進(jìn)行的話。可能會(huì)出現(xiàn)很多問題,如電路板布線、焊點(diǎn)、元器件貼裝和寄生電容等,因此在測試原型電源時(shí),最好要審慎。
這是一種常見作法,但仍需指出的是,應(yīng)使用數(shù)字萬用表檢查所有輸入和輸出階段是否有短路。同樣,還要檢查電路板上所有關(guān)鍵功率點(diǎn),確保電路不會(huì)非故意短路。應(yīng)盡可能把低壓模擬電路和數(shù)字電路隔離成多個(gè)子電路,這在發(fā)生問題時(shí)有助于調(diào)試問題及控制損失。
電路板很可能至少有一個(gè)輔助電源。下一步是隔離這個(gè)電源,在有負(fù)載和沒負(fù)載的情況下測試輸出。這有助于分析電源本身的特性,幫助隔離存在的任何問題。可以使用精密萬用表檢查電壓和紋波,如DMM 7510 (如上圖所示),確保所有指標(biāo)都滿足規(guī)范。DMM7510的圖形界面也可以幫助您在屏幕上觀察高頻紋波。如果您想進(jìn)一步了解紋波測量,這里的應(yīng)用指南為您介紹了詳細(xì)的測量過程。
在隔離電源的同時(shí),應(yīng)檢查機(jī)載電源供電的所有低壓電路。應(yīng)使用隔離DC電源,如吉時(shí)利2280S,為各個(gè)低壓子電路供電,而不是使用機(jī)載電源。這將有助于隔離與各個(gè)子電路有關(guān)的問題。
機(jī)載電源偶爾有多個(gè)輸出,您可以使用擁有多條隔離通道的DC電源。可以使用DC電源,同時(shí)顯示編程設(shè)置和實(shí)際被測輸出。您可以查看DC階段是否吸收太多的電流。另一個(gè)選項(xiàng)是在電源和被測器件之間連接一臺(tái)DMM,如DMM 7510,密切監(jiān)測吸收電流和功耗。在這個(gè)階段,您還應(yīng)根據(jù)需要測試每條子電路的待機(jī)電流和狀態(tài)電流。吉時(shí)利2280S精密測量電源提供了10 nA分辨率和0.05%精度,可以幫助您在現(xiàn)代高效設(shè)計(jì)中進(jìn)行超低電流測試。


如果您想記錄啟動(dòng)電流,可以使用擁有連續(xù)記錄功能的功率分析儀。在開機(jī)過程中發(fā)生災(zāi)難性故障時(shí),這有助于保存數(shù)據(jù),因此我們強(qiáng)烈推薦這種作法。
需要更多的洞察力?可以使用DPOPWR示波器軟件,其提供了全面功率分析套件,可以幫助您在開機(jī)過程中測量和調(diào)試輸入AC功率參數(shù)。

一旦檢查了各個(gè)項(xiàng)目,現(xiàn)在可以啟用低壓控制電路,全面了解相關(guān)信息。
敬請關(guān)注后續(xù)博文,了解檢查控制邏輯有關(guān)的各個(gè)步驟。
毋庸置疑,這是設(shè)計(jì)最重要、也是最復(fù)雜的部分。在這個(gè)階段,您將執(zhí)行測試,以便獲得正確補(bǔ)償、電壓、定時(shí)和頻響,具體任務(wù)包括:

在開始前,應(yīng)確保所有開關(guān)的啟動(dòng)、關(guān)閉、占空比和死區(qū)時(shí)間都符合預(yù)期,如MOSFETs和IGBTs。泰克示波器包括一種高分辨率模式,從根本上提高了垂直分辨率,因此可以使用最高精度計(jì)算啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間。
盡管電源的幾乎所有組件都會(huì)發(fā)生能量損耗,但絕大部分損耗發(fā)生在開關(guān)晶體管從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換到打開狀態(tài)(或反之)的時(shí)候。使用所有開關(guān)周期的啟動(dòng)損耗和關(guān)閉損耗的軌道圖(在DPOPWR軟件中提供),可以更加全面地了解開關(guān)損耗,如下圖所示。

這時(shí),要檢查所有 VGS 信號(hào)的噪聲和碰撞。這是一個(gè)重要步驟,因?yàn)檫@個(gè)端子上任何非預(yù)計(jì)的毛刺都可能會(huì)導(dǎo)致不想要的啟動(dòng)和擊穿。為保證不可能出現(xiàn)擊穿,應(yīng)檢查同步整流器或H橋接器的死區(qū)時(shí)間。
然后,檢驗(yàn)門驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)儀器之間的定時(shí)關(guān)系,確保其與設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果相符。
為安全地測量非參考地電平的信號(hào),我們建議使用相應(yīng)額定電壓的差分探頭。一定不要浮動(dòng)示波器,因?yàn)槠鋾?huì)導(dǎo)致不好的結(jié)果。您可以考慮TDP1000、TDP0500或P6251高壓差分探頭,具體視應(yīng)用而定。每種探頭都實(shí)現(xiàn)了高速寬帶采集和測量功能,提供了杰出的電氣性能、通用被測器件連接,而且都使用方便。
毫無疑問,很難測量浮動(dòng)門信號(hào)。我們建議在門驅(qū)動(dòng)器輸入上探測信號(hào),這樣您可以檢驗(yàn)頂部FET與底部FET之間的死區(qū)時(shí)間。
在最低電壓轉(zhuǎn)換速率上測量電流也可以幫助您最大限度地減少串?dāng)_,改善精度。
如需了解開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗測試要點(diǎn),請參閱本系列博文中的第6篇博文。
記住,經(jīng)過電源開關(guān)和磁性器件的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗對系統(tǒng)整體損耗有著巨大影響,正因如此,應(yīng)盡可能精確地使這些損耗達(dá)到最小,這一點(diǎn)至關(guān)重要。


在測量開關(guān)損耗時(shí),我們推薦使用MS05000B示波器,并配備相應(yīng)的電壓探頭和電流探頭。為實(shí)現(xiàn)最好的精度和可重復(fù)性,在進(jìn)行任何測量前應(yīng)先校正探頭時(shí)延,為了保證確定周期內(nèi)結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)使用濾波功能和平均功能。

在一切就緒后,您可以轉(zhuǎn)向第7篇博文,其將介紹效率和規(guī)范測試。

吉時(shí)利DMM7510圖形采樣萬用表是一個(gè)優(yōu)秀的備選方案。這臺(tái)儀器有一個(gè)18位1 MS/s數(shù)字化器,可以捕獲快速瞬態(tài)信號(hào)和小紋波。同時(shí),它可以在5英寸大型觸摸屏界面上顯示結(jié)果。
在進(jìn)行規(guī)范檢查時(shí),一定要使用功率分析儀記錄效率,同時(shí)掃描所有工作條件下的輸入電壓和輸出負(fù)載。我們最新推出的PA3000多通道功率分析儀提供了理想的解決方案,它提供了0.04%精度和10mW待機(jī)功率功能,可以從無負(fù)載到全負(fù)載準(zhǔn)確地進(jìn)行效率和功率測量。下圖是AC-DC電源效率測量的典型設(shè)置。

如果您打算使用示波器測量低電平電壓,如紋波,應(yīng)使探頭衰減達(dá)到最小(可能時(shí)采用1X或2X)。這將在示波器測量中提供最好的信噪比。此外,在線路或負(fù)載穩(wěn)壓測試中,永遠(yuǎn)不要依賴AC電源或電子負(fù)載讀數(shù),而是應(yīng)在電源端子上直接使用精密儀器。這將提供更好的測量精度,最大限度地減少輸入電纜和輸出電纜中的電壓暫降。
最后,如果您打算測量高頻噪聲和紋波,應(yīng)使用低電感接地彈簧探頭適配器(或類似裝置)。標(biāo)準(zhǔn)探頭地線可以作為天線,從熒光燈和其他來源中撿拾環(huán)境噪聲,可能會(huì)在讀數(shù)中產(chǎn)生明顯誤差。
在第8篇博文中,我們將討論電源線一致性測試。
在開始測試前,應(yīng)該指出,大多數(shù)AC-DC電源都是為使用AC墻上插座而設(shè)計(jì)的。因此,它們需要滿足嚴(yán)格的功耗和功率質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),如IEC 62301待機(jī)功率和IEC 61000-3-2電流諧波標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)一直在設(shè)計(jì)周期早期執(zhí)行一致性測試,以幫助您避免未來發(fā)生的問題。
泰克為CE標(biāo)志、能源之星、IEC待機(jī)和諧波標(biāo)準(zhǔn)提供了經(jīng)濟(jì)的預(yù)一致性測試解決方案。對預(yù)算有限的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),PA1000功率分析儀提供了理想的解決方案。這臺(tái)儀器擁有20 uA電流測量功能,可以測量最低5 mW的待機(jī)功率。

對一致性測試應(yīng)用,泰克接續(xù)盒是必備工具,它為負(fù)載測量和源側(cè)測量提供了兩個(gè)不同的端子。此外,接續(xù)盒使用方便安全,可以獲得準(zhǔn)確的低功率讀數(shù),執(zhí)行待機(jī)功率測試。
本系列博文共10篇,第9篇將考察EMI調(diào)試和預(yù)一致性測試。另外,對高效應(yīng)用的多通道測試,歡迎品鑒我們最新的PA3000功率分析儀。

為了迅速找到EMI來源,我們建議使用混合域示波器(MDO),其中內(nèi)置頻譜分析儀和近場探頭。憑借倍受信賴的MDO和示意圖,您可以簡便地測量頻譜峰值,找到根本原因。

如需操作指引及了解怎樣執(zhí)行EMI測試和調(diào)試,可以下載實(shí)用EMI調(diào)試應(yīng)用指南。
在這一系列博文的最后一篇博文中,我們將考察設(shè)計(jì)驗(yàn)證,幫助您面向下一輪設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。
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