信號(hào)從測試點(diǎn)到示波器的連接

作者：泰克科技公司，Wilson Lee

現(xiàn)代寬禁帶功率器件（SiC， GaN）上的開關(guān)晶體管速度越來越快，使得測量和表征成為相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，在某些情況下幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。隔離探測技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種局面，通過這一技術(shù)，設(shè)計(jì)人員終于能夠放心地測量以前回避的半橋和門驅(qū)動(dòng)器波形。通過詳細(xì)了解相關(guān)挑戰(zhàn)，并使用適當(dāng)?shù)奶綔y技術(shù)，電源工程師可以更加迅速、高效地表征和優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

半橋電路（圖1）廣泛用于功率電子領(lǐng)域的多種應(yīng)用，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中有效轉(zhuǎn)換電能使用的基本電路。但是，只有在半橋、門驅(qū)動(dòng)器和布線正確且優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，這種電路的優(yōu)勢才能得到實(shí)現(xiàn)。在測量結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致時(shí)，可能很難提取與被測器件有關(guān)的有意義的細(xì)節(jié)。更糟糕的是，基于探頭位置和其他因素，波形可能會(huì)明顯變化，最終會(huì)讓設(shè)計(jì)人員得不償失。

圖1. 半橋電路廣泛用來在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中高效轉(zhuǎn)換電能。

效率和功率密度要求經(jīng)常會(huì)隨著應(yīng)用設(shè)計(jì)要求變化，如是否要優(yōu)化性能價(jià)格比。在功率密度中改善能效的要求，決定著設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響著要考慮的測量設(shè)備和技術(shù)。表1匯總了半橋和門驅(qū)動(dòng)器最重要的指標(biāo)和測量。

表1. 門驅(qū)動(dòng)器和半橋配置最重要的測量。

準(zhǔn)確進(jìn)行功率測量離不開測量系統(tǒng)在多個(gè)方面的性能，包括電壓處理、共模抑制、連接能力、溫度處理能力、測量非常小的電流的能力。盡管功率設(shè)計(jì)要求日新月異，但測試測量技術(shù)的實(shí)際發(fā)展一直有些滯后。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員不得已開發(fā)定制測量解決方案，或只能近似獲得部分測量，忽視可能的優(yōu)化。

在最基礎(chǔ)的層次上，這些測量使用示波器及一套相應(yīng)的探頭執(zhí)行。在進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的功率測量方面，示波器幾乎不成問題。而最大的挑戰(zhàn)是從測試點(diǎn)到示波器獲得信號(hào)。因此，選擇適當(dāng)?shù)奶筋^完成工作至關(guān)重要，不管是無源探頭還是單端探頭，是傳統(tǒng)高壓差分探頭、電流探頭還是隔離探頭。

單端探頭 – 低壓側(cè)測量

大多數(shù)示波器都會(huì)配有一套無源或單端探頭。這些探頭只能準(zhǔn)確地測量以示波器地電平為參考的信號(hào)，且限于進(jìn)行低壓側(cè)測量。通過隔離示波器，或使用一對探頭進(jìn)行偽差分測量（參見后面的討論），您可以使用無源探頭執(zhí)行高壓側(cè)測量，但一般不推薦采用這種方法。

在考慮某項(xiàng)測量任務(wù)需要多高的探頭性能時(shí)，人們一般會(huì)把重點(diǎn)放在帶寬上。傳統(tǒng)思維認(rèn)為，帶寬越高，性能就越高。的確，帶寬是一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了可以測量正弦波峰峰值幅度的最高頻率。但實(shí)際上，您并不是在頻域中測量正弦波，而是要顯示和測量信號(hào)隨時(shí)間變化，也就是在時(shí)域中測量信號(hào)。

因此，半橋和門驅(qū)動(dòng)器測量中最應(yīng)關(guān)注的性能指標(biāo)是上升時(shí)間。上升時(shí)間可以從帶寬中計(jì)算得出，但如果想可靠地了解測量系統(tǒng)的上升時(shí)間和全部時(shí)間響應(yīng)，唯一的方式是使用階躍信號(hào)來實(shí)際測量上升時(shí)間，這個(gè)階躍信號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于您測量的信號(hào)。

測量系統(tǒng)如果上升時(shí)間性能不足，那么就會(huì)出現(xiàn)階躍響應(yīng)畸變，如圖2所示，包括非線性度、變圓和頂降。可能很難確認(rèn)這些畸變是實(shí)際來自測量系統(tǒng)還是來自被測器件，只有通過表征測量系統(tǒng)才能找到真正答案。為避免這些測量誤差，選擇的探頭的上升時(shí)間一定要快于被測器件的上升時(shí)間。

圖2. 在功率器件測量精度中，上升時(shí)間指標(biāo)要比帶寬指標(biāo)更重要。

圖3顯示了快速探頭的意義，其中使用1 GHz無源探頭測量高速FET驅(qū)動(dòng)器的低壓側(cè)，該驅(qū)動(dòng)器的產(chǎn)品資料中顯示上升時(shí)間《 1 ns。由于這只探頭的上升時(shí)間指標(biāo)在450 ps左右，所以我們能夠測量略高于500 ps的上升時(shí)間。如果進(jìn)行這一測量時(shí)使用的探頭上升時(shí)間較慢，比如500 MHz探頭，那么波形前面拐角處的高頻成分會(huì)變圓。

圖3. 由于450 ps上升時(shí)間指標(biāo)，1 GHz泰克TPP1000無源探頭能夠準(zhǔn)確地測量高速FET。

測量門驅(qū)動(dòng)器電流

在測量門驅(qū)動(dòng)器電流時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員使用外加電流分流器，而不是電流探頭，原因很簡單，因?yàn)槭褂秒娏魈筋^測量環(huán)路的電感會(huì)影響電路。通常來說，設(shè)計(jì)中在門驅(qū)動(dòng)器和門之間會(huì)已經(jīng)串聯(lián)了一個(gè)電阻器。為使插入阻抗達(dá)到最小，電流分流器的阻值會(huì)保持得非常低，所以經(jīng)過電流分流器的電壓下跌也會(huì)非常低。通過先測得經(jīng)過電流分流器的電壓下跌值，然后再除以電阻器的已知電阻，可以得出電流。

把電流分流器連接到低壓側(cè)上，通常意味著一個(gè)端子接地。放在低壓側(cè)與放在高壓側(cè)的主要差異，是放在低壓側(cè)會(huì)降低或有效消除共模電壓，共模電壓會(huì)在電流分流器的任意一側(cè)同時(shí)同相出現(xiàn)。因此，一般推薦在低壓側(cè)放置電流分流器，特別是在高壓情況下。在高流應(yīng)用中，接地彈跳會(huì)顯示為共模信號(hào)。

隔離示波器

打破接地環(huán)路的技術(shù)之一，是“隔離示波器”或隔離被測電路。浮地會(huì)打破與接地的連接，在理論上可以在兩個(gè)測試點(diǎn)之間進(jìn)行差分測量，因?yàn)槭静ㄆ鹘拥匾呀?jīng)被破壞。這種方法本身就是危險(xiǎn)的，因?yàn)樗茐牧擞|電保護(hù)，還可能會(huì)損壞測量設(shè)備。

浮動(dòng)測試可能適用于某些測量，特別是在非常低的頻率上，但要注意如果沒有低阻抗接地連接，來自示波器的放射輻射和傳導(dǎo)輻射可能會(huì)以噪聲形式干擾測量。另外注意，在較高頻率中斷接地時(shí)，可能并不會(huì)中斷接地環(huán)路，因?yàn)椤案?dòng)”電路會(huì)一直通過大的寄生電容保持耦合接地，從而導(dǎo)致振鈴和波形失真。圖4顯示了高壓側(cè)門驅(qū)動(dòng)器上的浮動(dòng)測量。振鈴和失真很明顯，出現(xiàn)了高達(dá)28 V過沖。

圖4. 在這個(gè)高壓側(cè)門驅(qū)動(dòng)器浮動(dòng)測量中，明顯有振鈴、失真和28 V過沖。

也可以使用偽差分測量（而不是無源探頭），可能滿足某些低頻信號(hào)測量。通過進(jìn)行兩個(gè)地電平參考的信號(hào)測量，使用示波器對兩條示波器通道進(jìn)行減法運(yùn)算，可以完成測量。在圖5中，示波器從CH1的波形中減去CH2的波形，得到紅色波形。兩個(gè)輸入必須設(shè)置成相同的標(biāo)度，探頭必須一模一樣且緊密匹配。這種技術(shù)中的共模抑制比（CMRR）很差，如圖5所示，特別是在更高頻率下，可能會(huì)超過示波器輸入范圍。CMRR是指示波器在進(jìn)行差分測試時(shí)抑制兩個(gè)測試點(diǎn)的共模電壓的能力。

圖5. 偽差分測量性能有限，但對擁有低共模信號(hào)的超低頻信號(hào)測量足夠了。

差分探頭

對大多數(shù)GaN和SiC應(yīng)用，差分探頭是準(zhǔn)確進(jìn)行低壓側(cè)測量和某些高壓側(cè)測量的很好選擇。但對性能更高的器件來說，最可能的情況是傳統(tǒng)高壓差分探頭并不是最佳選擇，因?yàn)槠湓诟叩念l率下共模抑制能力不足。在執(zhí)行高壓側(cè)電壓測量時(shí)，這成為一個(gè)明顯的問題，因?yàn)橐诳焖匍_關(guān)跳變過程中，在存在大的共模電壓的情況下測量小的差分電壓。

一個(gè)常見的誤解是差分探頭是浮動(dòng)的。其實(shí)，傳統(tǒng)差分探頭基于差分放大器，差分放大器則連接到接地上。遺憾的是，這種連接限制了共模電壓范圍，導(dǎo)致頻率額定值下降，產(chǎn)生接地彈跳，在帶寬超過一定MHz時(shí)會(huì)限制共模抑制比。

在測試通電的GaN或SiC器件時(shí)，這些局限性尤其明顯，因?yàn)檫@些器件擁有超快速開關(guān)速率，甚至有標(biāo)稱的共模電壓。例如，100 MHz帶寬差分探頭在DC時(shí)提供了-70 dB CMRR，在1 MHz時(shí)提供了-50 dB CMRR，而在100 MHz時(shí)則下降到-27 dB CMRR，大約是22 ： 1。

探頭產(chǎn)品技術(shù)資料中很難看到這么差的指標(biāo)，因?yàn)轭~定值隨頻率下降不可能成為廠家推廣的指標(biāo)。您需要翻查用戶手冊，才會(huì)找到像圖6這樣的示圖，但我們很容易就能計(jì)算出CMRR較差的影響。例如，對600 V共模電壓，得到的誤差是27 V （600除以22）。這種表現(xiàn)很扎眼，因?yàn)樵诖嬖?00 V共模電壓時(shí)，使用誤差這么大的探頭是不可能準(zhǔn)確測量高頻15 V差分信號(hào)的。

圖6. 100 MHz帶寬差分探頭在頻率提高時(shí)CMRR額定值下降到-27 dB。

在計(jì)算共模抑制時(shí)，另一個(gè)考慮因素是探頭和DUT之間的連接。大多數(shù)共模抑制指標(biāo)只包括探頭，沒有考慮額外的連接選項(xiàng)，如大的掛勾夾。

由于缺乏足夠的探測配件，許多電源設(shè)計(jì)人員求助于某些替代技術(shù)來執(zhí)行高壓側(cè)器件測量，如先測量低壓側(cè)，使用全面仿真推導(dǎo)高壓側(cè)結(jié)果，考察發(fā)熱的特點(diǎn)、EMI接近式探測，如果這些方法都行不通，那么就只能試錯(cuò)了。

高性能隔離探頭

SiC和GaN 功率器件擁有超快速開關(guān)速率和高標(biāo)稱共模電壓，在測試這些器件時(shí)，單端探頭和差分探頭的局限性變得更加明顯。由于這些信號(hào)捕獲問題源于接地需求，因此可行的解決方案所采用的探頭技術(shù)不能依賴于接地，從而或多或少地不受共模電壓的影響。這種隔離探頭完全通過光纖運(yùn)行，提供了大量的優(yōu)勢，包括高達(dá)1 GHz的帶寬、大的差分電壓范圍、在所有頻率中提供了完美的共模抑制能力。

在執(zhí)行高壓側(cè)VGS測量時(shí)，工程師需要查看足夠的波形細(xì)節(jié)，來確認(rèn)仿真，評估信號(hào)特點(diǎn)，如與圖7中表示的理想狀態(tài)相比產(chǎn)生的振鈴。高壓側(cè)VGS打開，第一個(gè)區(qū)域表示CGS門源充電時(shí)間，后面是米勒平臺(tái)。在通道進(jìn)行傳導(dǎo)后，門將充電到最終值。

圖7. 這是高壓側(cè)VGS理想狀態(tài)的示意圖。

圖8比較了使用傳統(tǒng)高壓差分探頭與使用高性能隔離探頭進(jìn)行高壓側(cè)VGS 測量，明顯可以看出，在傳統(tǒng)探頭提供的測量基礎(chǔ)上，很難提取有意義的信息，制訂設(shè)計(jì)決策。

圖8. 隔離高壓差分探頭提供了優(yōu)化器件性能所需的信心。

相比之下，隔離高壓測量系統(tǒng)為測量、表征和優(yōu)化設(shè)計(jì)性能提供了所需的分辨率和可重復(fù)性。可以明顯看出米勒平臺(tái)及開關(guān)到節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)。這個(gè)波形清楚地顯示了以前隱藏的諧振和信號(hào)細(xì)節(jié)，從而為優(yōu)化性能、開發(fā)設(shè)計(jì)而又不會(huì)過于保守提供了所需的信心。

高壓側(cè)，低壓側(cè)交互

對容差緊張的GaN器件，開關(guān)節(jié)點(diǎn)中低壓側(cè)開關(guān)與高壓側(cè)門極之間的寄生耦合，是診斷起來比較困難的問題之一。圖9顯示了來自高壓側(cè)的過沖或振鈴傳遞到低壓側(cè)的情況。如果不能執(zhí)行準(zhǔn)確的高壓側(cè)測量，這種情況是無從知曉的，其會(huì)產(chǎn)生大量的問題，至少會(huì)導(dǎo)致開關(guān)和效率損耗和劣化，最壞情況是低壓側(cè)和高壓側(cè)開關(guān)同時(shí)打開導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

圖9. 能夠查看實(shí)際波形，使得診斷和解決開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的寄生耦合等問題成為可能。

小結(jié)

可以肯定地說，半橋和門驅(qū)動(dòng)器測量面臨著諸多挑戰(zhàn)，必須克服這些挑戰(zhàn)，才能全面利用最新寬禁帶器件的優(yōu)勢。這要求正確的測量技術(shù)和強(qiáng)大的測量解決方案。通常來說，問題的根源不在于示波器，而在于探頭的選擇上。高壓側(cè)門測量尤其困難，但通過了解共模抑制比，及隔離高壓差分探頭在存在高共模電壓情況下可以怎樣實(shí)現(xiàn)精確可靠地測量，許多相關(guān)挑戰(zhàn)都能迎刃而解。