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开关电源测试与测量

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详细解说了电源测试与测量,希望大家对大家有帮助

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是德科技示波器开关电源 测试方案 使用示波器进行电源测量 资源中心:www.keysight.com/find/scopes-power 这些设备有什么共同点? 这些设备都需要电源! Power Measurements & Analysis Page 2 演讲目的 Page 3 1. 概述如何使用示波器对开关电源进行验证, 以及相关的测试内容。 2. 示波器选配的功率分析软件提供全自动的功 率测试及分析能力。 3. 描述如何提高功率分析精确度及面临的挑战。 议题 Page 4 − 电源综述 − 探头时延校准 − 开关电源测试:  输入端测试  开关管测试  输出端测试 − 探头推荐 − 小结 电源基础 电源的 ‘职责’: 从输出端产生稳定的低噪声的电压输出 电源的种类: 线性电源(series-pass) 和 开关电源 (SMPS) 线性电源 (series-pass) 工作在晶体管的线性区 + 低噪声 + 不需要太多滤波器件 - 只能做 ‘降压’ - 效率低 开关电源 (SMPS) 晶体管工作在开/关/开/关的状态 , 开关频率通常 在 20 – 200kHz + 效率高 + 功率密度高 + 可做降压也可升压 - 调制产生更多纹波和噪声 Page 5 开关电源测试与测量 L N E AC 输入端分析  电源质量  电流谐波  浪涌电流 VO DC 输出端分析  输出纹波  开启时间  关断时间  瞬时响应  PSRR  效率 开关器件分析  功率/能量损耗  调制分析  di/dt, dv/dt分析  SOA安全工作区 频响分析  电源纹波抑制比(PSRR)  反馈控制回路的响应分析 Page 6 开关电源趋势 设计优化  提高转换效率  提高功率密度  提高可靠性  控制EMI; 符合EMC要求  提高输出电源完整性  减少热损耗  降低成本 这些都要增加测试时间! Power Measurements & Analysis Page 7 电压/电流探头时延校准  电压/电流通道(VxI)的时延校正对于精确的功率测量 非常重要  U1880A时延校准夹具和功率分析软件包配合使用, 可以对电压/电流探头做自动时延校准,以提高功率损 耗测试的精度. 时延校准= ~后9!ns Power Measurements & Analysis Page 8 输入端分析 • 电源质量: 有功功率, 无功功率, 视在功率, 相位角, 功率因素, 波峰因 子 • 电流谐波: Pass/fail 测试,最高 40次谐波(IEC 61000-3-2,RTCA DO160E) • 浪涌电流: 当开关电源第一次开启时,测试开机瞬态电流 L VO N E Power Measurements & Analysis Page 9 输入端测试:电源质量 Iii Vii Pii = Vii x Iii Im S Q ɸ P Re PF(功率因素) = P/S P (有功功率)= Pi over N cycles S (视在功率) = VRMS x IRMS over N Cycles Q (无功功率) = S x SIN(ɸ) CFV (波峰因子)= VPK / VRMS CFI (波峰因子)= IPK / IRMS ɸ (相位角)= ACOS(P/S) • 电压探头: 测量240VRMS电压需要高压差分探头,测试范围大约700Vpp. • 电流探头: 典型的电流探头为霍尔感应式电流探头. Power Measurements & Analysis Page 10 输入端测量:电流谐波 • 对电流波形做FFT分析. • 支持RTCA DO-160E航空电源标准. • 按照IEC61000-3-2 (Class A, B, C, or D)标准比对 • 支持50/60/400Hz 工频电流 FFT 波形的奇次/偶次谐波幅度. • 测量最多40th谐波 • 提供每个谐波Pass/Fail 自动提示 • 显示方式可以在图表显示/条型显示方式切换 Power Measurements & Analysis Page 11 输入端测量:浪涌电流 测量实例: • 当电源初次开机时,输入端的滤 波电容相当于瞬间短路,会产生 一个很快上升时间的冲击电流. • 示波器设置为 “峰值检测” 模式, 同时做单次捕获. • 触发第一个边沿(可以是电流或 电压波形的上升沿或下降沿). • 示波器测量电流的峰值幅度. Ii Vi Power Measurements & Analysis Page 12 开关器件分析  开关损耗: 测量一个开关周期内的功率/能量损耗.  dI/dt, dV/dt 测试:测试电流/电压信号瞬间变化速率.  Rds(on)导通电阻: 测量功率器件FET在导通阶段的有效电阻.  调制分析: 测试电压信号的占空比或频率随时间变化的趋势图. Power Measurements & Analysis Page 13 开关器件分析:开关损耗 理想世界 关闭状态 开启状态 Vds 0V 关闭状态 Ids 0A P = Vds x Ids 0W 开启状态损耗 (导通阶段) = Ids x 0 = 0W 关闭状态损耗 (关断阶段) = Vds x 0 = 0W 总体损耗 = 0W Power Measurements & Analysis Page 14 开关器件分析:开关损耗 现实世界 关闭状态 开启状态 Vds Vds(sat) 0V 关闭状态 Ids 0A 电流探头偏置误差 电流探头偏置误差 P = Vds x Ids 0W TOFF 开关损耗 错误损耗 TOn 开关损耗 导通损耗 TOFF 开关损耗 错误损耗 TOn 开关损耗 Power Measurements & Analysis Page 15 开关器件分析:不同的工作阶段 Vds 导通阶段 Vds 导通阶段 Ids 非导通阶段 TON Ids 非导通阶段 TON TOFF TOFF TOFF Power Measurements & Analysis Page 16 开关器件分析:开关器件功率损耗 P非导通阶段 = 0W • 探头时延校准可以提高损耗测试精度. • 零偏置校准可以提高损耗测试精度. • 示波器测量一个开关周期内的能量损耗. • 通过局部放大可以测试开关周期不同阶段的损耗. Power Measurements & Analysis Page 17 开关器件分析:导通电阻 • 示波器测量导通阶段的平均电压 (Vavg)和 平均电流(Iavg). • 导通电阻Rds(on) = Vavg/Iavg • 选择 “使用” 导通电阻Rds(on)测量损耗 • 不同阶段功率损耗计算公式:  导通损耗 = I2Rds  Toff 关断损耗和 Ton 开启损耗 = V x I  非导通损耗 = V x 0 = 0 Power Measurements & Analysis Page 18 开关器件分析:导通损耗及Toff关断损耗 通过局部放大去测试不同阶段的损耗 TO导FF 通关阶断段阶损段耗损耗 Pi = Vi x Ii Pi = Ii2 x Rds(on) Power Measurements & Analysis Page 19 开关器件分析:导通阶段电压V导通测试误差来源 Vpp = 287 V • 直觉: 最主要的测量误差来自于示波器的分辨率. • 实际: 最主要的测量误差 = 示波器/探头偏置/位置错误. • 典型探头偏置/位置错误: ±0.1 divisions • 例子: 如果示波器档位设为40V/格, 那么误差= ±4.0 V Power Measurements & Analysis Page 20 开关器件分析:dI/dt,dV/dt测量 使用示波器的高级数学运算功能测量开关阶段 Vds和 Ids波形 的最大/最小斜率 dv/dt Ids di/dt Vds 电流压信号最小大斜率 Power Measurements & Analysis Page 21 开关器件分析:调制分析 Vgs电压随时间变化的趋势图 频率Vgvss 时间 Vgs 占空比 vs 时间 VgVs g频s 占率空vs比时v间s 时@间起始位置 Power Measurements & Analysis Page 22 开关器件分析:设计上的妥协 妥协例子: • 更快的开关频率: + 设备体积更小 + 更高的密度 + 更低的成本 - 更大的Ton和Toff开关损耗 • 选用更快上升/下降沿的开关器件: + 更小Ton and Toff 开关损耗 - 更大的输出纹波 - 更多的EMI - 更高的费用 Power Measurements & Analysis Page 23 输出端分析 • 纹波测量: 输出电压的纹波 • 开启/关断响应时间: 稳定电压输出与开启/关断的时间关系 • 瞬时响应: 电压输出对负载变化的响应时间 • PSRR:电源输出纹波抑制比 • 效率: 电源的转换效率 L VO N E Power Measurements & Analysis Page 24 输出端分析:纹波和噪声 电源完整性 Vo = 15 V • 不同探头及探测方法的差别 • 示波器设置为AC耦合 • 对于低电压/低纹波输出做测试,通常需要 • 示波器测量 Vpp 和 Vrms 用1:1衰减倍数的探头 Power Measurements & Analysis Page 25 输出端分析:不同探头的差异 Vout 带噪声的输出电压信号 正常信号 mVrm s mVp-p t • 使用10:1衰减倍数的探头,示波器最小灵敏度档位仅能到10mV/格 ~ 20mV/格,同 时将示波器底噪放大了10倍. • 使用1:1衰减倍数的探头,示波器最小灵敏度档位能到1mV/格 ~ 2mV/格,但是这种 探头带宽仅~35MHz. • 使用1:1衰减倍数的探头,直流偏置/位置调节范围有限,需要切换到AC耦合档位做 纹波测试. • AC耦合不仅将直流分量去除, 同时也将低频交流部分的分量也去除了(这部分对 测量有可能非常重要). Power Measurements & Analysis Page 26 输出电压纹波/噪声探头方法 N2870A 1:1 无源探头 == N对28于85低A 电PC压B/低接纹地波适输配出器做可测以试焊,接在电路板 上通,有常效需减要少用地1:回1衰路减的倍电数感的效探应头,达到最佳的 信号完整性. Page 27 输出电压纹波/噪声探头方法 11:01:1探探头头++长长地地线线 1:01:1探探头头++短短地地线线 Page 28 N7020A 有源纹波探头 专注于电源完整性测试 • 2 GHz 有源探头 • 1:1 衰减倍数 • ±24 V 可调偏置电压 • 50 kΩ 输入阻抗 @ DC • ±850 mV 动态范围 • ±30 V DC电压输入 (非损坏) 新! Page 29 N7020A 有源纹波探头 最佳电源纹波/噪声测试手段 参考网络研讨会: “Measuring Power Rail Signal Integrity with Oscilloscopes” www.tinyurl.com/precise-scopes Confidential Page 30 输出端分析:开启/关断响应时间 测量例子:  开启时间 :测量输出电压从零到 达预设值90%时所需的时间. Vo 升高 Vi 开启  关断时间 :测量输出电压从预设 值降至预设值10%时所需的时间. Vo 衰减 Vi 关断 Power Measurements & Analysis Page 31 输出端分析:瞬时响应 测量例子: • 用户设置输出电流的期望的高值及低值. • 用户输入稳定工作时的输出电压值,同时 设置临界值% (过冲/欠冲). • 示波器以电流的跳变作为触发条件. • 示波器测量负载电流突变时输出电压开 始变化到稳定在设定电压范围内的时间. Io increases Vo = ~12 V Power Measurements & Analysis Page 32 输出端分析: 电源效率 测量例子: • 用户选择效率测试的类型 (AC-DC, AC-AC, DC-AC, DC-DC). • 示波器测试输入端的有功功率. • 示波器测是输出端的有功功率. • 示波器计算出效率(Po/Pi). Power Measurements & Analysis Page 33 输出端分析:电源输出纹波抑制比(PSRR) – PSRR: 可以测量DC-DC电源, 电压调节器, LDO线性稳压器等设备在不同 频段对纹波/噪声的抑制能力 – PSRR = 20 Log (vi/vo), vi和vo 只包含交流成分 ++ PICOTEST J2120 线性注入模块 Power Measurements & Analysis Page 34 输出端分析:电源输出纹波抑制比(PSRR) 测量例子: • 使用1:1 测量输出电压 Vo. • 输入频率范围. • 输入测试信号幅值 (Vpp). • 输入波特图的垂直刻度设置 (dB). • 示波器测试每个频点的输入电压Vi 和输出电压Vo的平均值,平均取8次, 带宽限制设为20MHz. • 示波器计算每个频点的PSRR = 20Log(Vi/Vo),然后画出波特图. 示波器底噪 =~70dB 最大动态范围 =~70dB Power Measurements & Analysis Page 35 输出分析: 反馈控制环路的特征测试 PICOTEST J2101A Injection Transformer RInj 5-Ω Scope FG Ch1 Ch2 A = 20Log(V1/V2) Page 36 直流输出测量的探头连接 –反馈控制环路的特征测试 Floating AC Input 1:1 probe to Chan-2 Injection Transformer Linear Regulator Evaluation Board DC Input 1:1 probe to Chan-1 AC Input from scope FG Page 37 反馈控制环路响应– 增益曲线 0dB Cross-over @ 6.49 kHz Page 38 反馈控制环路响应– 相位裕量测试 Phase margin @ 6.49 kHz = 59º Page 39 小结 • 开关电源的设计和优化需要完整的测试/验证手段. • 基于示波器的功率分析方案可以有效减少测试时间. • 是德科技InfiniiVision X系列示波器及DSOX3PWR/DSOX4PWR功率 分析软件包提供了最完整的功率分析能力. • 是德科技功率分析方案提供参考测量连接示意图,在线帮助以及全自 动设置,测量操作变得非常简单. • 探头连接及接地十分重要! • 是德科技提供丰富的电流/电压探头满足各种测试需求. Page 40 推荐探头及附件  AC/DC 电流探头  N2893A 100MHz, 30Apk1  1147B 50MHz, 30Apk1  N2780B 2MHz, 700Apk (需要N2779A探头供电器)  N2781B 10MHz, 300Apk (需要N2779A探头供电器)  N2782B 50MHz, 50Apk (需要N2779A探头供电器)  N2783B 100MHz, 50Apk (需要N2779A探头供电器)  高压差分探头  N2804 300MHz, ±300V, 100:1, 4MΩ/4pF  N2805 200MHz, ±100V, 50:1 , 4MΩ/4pF  N2790A 100MHz, ±1.4kV, 50:1 or 100:1, 8MΩ/3.5pF  N2891A 70MHz, ±7kV, 100:1 or 1000:1, 100MΩ/5pF  N2791A 25MHz, ±700V, 10:1 or 100:1, 8MΩ/8pF  无源探头  10076C, 500MHz, ±4kV,100:1, 67MΩ/3pF  N2870A 35MHz, 1:1 (用于纹波测试), 1MΩ/39pF  10070D 20MHz, 1:1 (用于纹波测试), 1MΩ/70pF  单端有源纹波探头 (用于纹波测试)  N7020A, 2GHz, 1:1, ±24 V offset, 50kΩ (DC) 注: 1. 如果两格电流探头连到示波器, 最大测试电流为15A. 41 Power Measurements & Analysis Page 41 大电流采集及测量 通用电流探头 电流互感探头 • 最多支持3通道 • 带宽:最高250MHz • 带宽:最高到100MHz • 电流:最高到50KA(瞬态) • 电流:最高到700A • 电压:最高输入电压600V CATII • 精度:1% 柔性电流探头 • 带宽:最高16MHz • 电流:最高到300mA-30KA • 电压:最高输入电压10KV • 精度:1% InfiniiVision示波器 Page 42 大电压采集及测量 高压差分探头 高压单端探头 • 带宽:最高到100MHz • 带宽:最高250MHz • 电压:最高到7000V(差分) • 电压:最高到30KV(瞬态) • 电压:最高输入电压600V CATII • 精度:1% 普通电压探头 • 带宽:最高1.5GHz • 电压:400Vp-p InfiniiVision示波器 Page 43 Keysight InfiniiVision X系列示波器 www.keysight.com/find/InfiniiVision 2000X 3000T 4000X 6000X 带宽 70 to 200 MHz 100 MHz to 1 GHz 200 MHz to 1.5 GHz 1 GHz to 6 GHz 采样率 2 GSa/s 5 GSa/s 5 GSa/s 20 GSa/s 存储深 分段存储 度 (最大) 1M Option 4M Option 4M Std 4M Std 波形更 新率 50k/秒 1M/秒 1M/秒 500k/秒 MSO 选件 8通道 16通道 16通道 16通道 图形触摸 触发 无 功率分析软 件包 无 标配 选配 标配 选配 标配 选配 Page 44 参考文档 InfiniiVision X-Series Literature Switch Mode Power Supply Measurements InfiniiVision 3000 X-Series Oscilloscopes InfiniiVision 4000 X-Series Oscilloscopes InfiniiVision 6000 X-Series Oscilloscopes DSOX3PWR/DSOX4PWR/DSOX6PWR Power Measurements Option InfiniiVision Oscilloscope Probes & Accessories N2790A 100-MHz, N2791A 25-MHz, N2891A 70-MHz HV Diff Active Probes N2870A Series 1:1 passive probe N2744A T-to-K Probe Interface Adapter Type Application note Data sheet Data sheet Data sheet Data sheet Data sheet Data Sheet Data Sheet Data Sheet Publication # 5991-1117EN 5990-6619EN 5991-1103EN 5991-4087EN 5990-8869EN 5968-8153EN 5990-3780EN 5990-3930EN 5990-6477EN Page 45 谢谢! Page 46

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