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實(shí)驗(yàn)室技能對(duì)于表征和驗(yàn)證ADI電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的出色性能至關(guān)重要。如果沒有精確的測(cè)量技術(shù)，工程師在評(píng)估不同解決方案時(shí)就無法獲得必要的信息，從而難以做出明智的決策。本文討論了如何謹(jǐn)慎選擇用于測(cè)量的無源探頭，以及如何優(yōu)化測(cè)量方法，并介紹了有助于進(jìn)一步診斷轉(zhuǎn)換器運(yùn)行情況的替代測(cè)量技術(shù)。文中展示了參考設(shè)置，以說明如何獲得典型的數(shù)據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)，例如電壓紋波和開關(guān)波形。

簡(jiǎn)介 ? ? ?

評(píng)估開關(guān)模式電源(SMPS)時(shí)，需要評(píng)估許多關(guān)鍵參數(shù)。觀察特定測(cè)量結(jié)果時(shí)，也需要考慮許多因素。為了確保設(shè)計(jì)決策不受錯(cuò)誤數(shù)據(jù)干擾，請(qǐng)務(wù)必準(zhǔn)確執(zhí)行這些測(cè)量，而正確選用示波器探頭則是首要步驟。

示波器探頭選擇 ? ? ?

示波器是工程師用來評(píng)估SMPS性能的強(qiáng)大工具。然而，正確的測(cè)量技術(shù)對(duì)示波器采集精度的重要性，再怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。第一步是為要進(jìn)行的測(cè)量選擇合適的示波器探頭。

無源探頭用途廣泛，能夠準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)，并且由于不包含有源電路，所以無需外部電源。有源探頭可以大大降低測(cè)量操作對(duì)極其敏感電路的干擾，但此類探頭也更復(fù)雜、更昂貴。本部分將探討使用無源10倍探頭、無源1倍探頭和同軸電纜進(jìn)行的示波器測(cè)量，并簡(jiǎn)要討論對(duì)于某些測(cè)量操作，如何確定應(yīng)選用哪一種探頭。

示波器探頭：10倍

10倍探頭是大多數(shù)現(xiàn)代示波器的通用標(biāo)準(zhǔn)探頭。之所以稱為10倍，是因?yàn)樗鼈兊乃p比為10:1，可以將被測(cè)信號(hào)縮小為十分之一。示波器的顯示屏?xí)鶕?jù)衰減程度進(jìn)行調(diào)整，以顯示正確的電壓測(cè)量值。但用戶應(yīng)注意驗(yàn)證，因?yàn)椴煌吞?hào)的示波器可能存在差異。探頭具有較大的內(nèi)部阻抗，它與示波器的阻抗一起將電壓信號(hào)衰減為1/10，如圖1所示。這種高阻抗降低了示波器的負(fù)載，也讓探頭可以正常測(cè)量通常高達(dá)數(shù)百伏的高電壓。10倍探頭的典型帶寬達(dá)到數(shù)百兆赫茲。例如，Keysight N2873A 10倍探頭的額定直流電壓為400 V，頻率高達(dá)500 MHz1。

圖1. (a) Keysight N2873A 10倍探頭及(b)其簡(jiǎn)化電路

此外，必須小心檢查探頭的電壓降額曲線與頻率的關(guān)系。電壓降額曲線表示，對(duì)于一定頻率的信號(hào)，探頭可以測(cè)量的最大電壓是多少。隨著頻率提高，探頭可以通過的最大電壓將會(huì)降低。圖2中的曲線為N2873A的示例。

圖2. N2873A 10倍探頭電壓與頻率下降的關(guān)系，來自Keysight數(shù)據(jù)手冊(cè)

為確保千赫茲頻率范圍內(nèi)的測(cè)量精度，許多10倍探頭都內(nèi)置有可調(diào)補(bǔ)償螺絲，如圖3所示。通過這種探頭調(diào)整機(jī)制，用戶可以使探頭電容與示波器的輸入電容相匹配，Ct /(Cin + Cp ) = 1 MΩ/9 MΩ。完成調(diào)整后，電壓測(cè)量將具有正確的頻率響應(yīng)，確保妥善地測(cè)量快速邊沿，避免出現(xiàn)過沖或欠沖失真。每次將探頭連接到新的示波器輸入時(shí)，都應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以解決模擬前端的細(xì)微差異。即使在同一臺(tái)示波器的不同通道之間切換，也應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。要校準(zhǔn)探頭，請(qǐng)將其連接到示波器的板載方波發(fā)生器，并調(diào)整探頭的補(bǔ)償螺絲，直至觀察到的電壓信號(hào)呈現(xiàn)方形，且?guī)缀鯖]有過沖或圓角，如圖4所示。

圖3. 如何使用螺絲刀工具調(diào)整10倍探頭補(bǔ)償

圖4. (a)標(biāo)準(zhǔn)方形；(b)過阻尼；(c)欠阻尼示波器校準(zhǔn)測(cè)量截圖

10倍探頭能夠傳遞更高的頻率和電壓，特別適合用于測(cè)量SMPS中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，也可用于測(cè)量VIN、VOUT和高頻信號(hào)電平波形。

示波器探頭：1倍?

另一種常見的無源探頭是1倍探頭，如圖5所示。此類探頭的衰減比為1:1，即不會(huì)衰減電壓信號(hào)。與10倍探頭相比，這些探頭的阻抗要低得多，并且不需要用戶校準(zhǔn)。示波器不會(huì)調(diào)整其測(cè)量比例，因此屏幕截圖的分辨率更加精細(xì)—通常低至1 mV/div。?

這些探頭的電壓范圍為幾十伏，帶寬通常為幾十兆赫。例如，F(xiàn)luke PM9001 1倍探頭的阻抗小于1 kΩ，最大電壓為30 V，帶寬為 15 MHz2。建議將1倍探頭用于低壓和低頻測(cè)量。測(cè)量SMPS中的電壓時(shí)，建議使用此探頭進(jìn)行小信號(hào)測(cè)試，例如輸入或輸出電壓紋波，只要這些紋波的頻率在較低的兆赫茲范圍內(nèi)即可。

圖5. (a) 1倍探頭(Fluke PM9001)及(b)其簡(jiǎn)化電路?

同軸電纜?

10倍和1倍探頭通過同軸結(jié)構(gòu)的電纜連接到示波器。同軸電纜的中心導(dǎo)線用于傳輸信號(hào)，外層金屬編織網(wǎng)用于屏蔽電纜和信號(hào)，使其免受電磁干擾(EMI)。經(jīng)過適當(dāng)端接，同軸電纜本身也可以用作電壓探頭，如圖6所示。這些電纜通常具有50 Ω的特性阻抗，因此示波器輸入阻抗必須設(shè)置為50 Ω。

圖6. 帶有BNC連接器的同軸電纜

在示波器中應(yīng)用50 Ω阻抗設(shè)置時(shí)，示波器可以支持的最大電壓會(huì)受到限制，通常為5 V。此限制可保護(hù)示波器免于過載。盡管同軸電纜測(cè)量?jī)H限于低電壓范圍，但其傳遞的帶寬卻要高得多。Pomona 2249-C-12 BNC-BNC電纜的帶寬為4 GHz，高于許多示波器探頭的帶寬3。

為將同軸電纜用于SMPS測(cè)量，印刷電路板(PCB)本身必須配備合適的匹配連接器。這意味著必須提前設(shè)計(jì)電路板，留出足夠的空間來容納或插入連接器。適用于演示板測(cè)量的同軸電纜有多種樣式，其規(guī)格和連接器類型各不相同。

許多ADI μModule演示板采用直徑10 mm的BNC連接器。母頭BNC-BNC堅(jiān)固可靠且易于獲取，因此常用于示波器測(cè)量。這些同軸電纜通常用于測(cè)量SMPS輸出端的動(dòng)態(tài)負(fù)載電路中的VOUT紋波。超小B型(SMB)和Uf.l連接器是兩種專門用于高頻測(cè)量的連接器，而且因其體積較小，所以也同樣適用于空間緊張的PCB設(shè)計(jì)。

探頭選擇總結(jié) ? ? ?

10倍探頭建議用于捕獲高電壓和進(jìn)行一些高頻測(cè)量。對(duì)于小電壓和低頻測(cè)量，建議使用1倍探頭。同軸電纜適用于低壓和高頻測(cè)量，但需要在PCB上的測(cè)試點(diǎn)配備連接器。表1總結(jié)了這些差異。

表1. 10倍、1倍和BNC同軸電纜使用總結(jié)

測(cè)量電壓紋波 ? ? ?

輸出電壓紋波是電源的一個(gè)主要規(guī)格，也是用于比較不同設(shè)計(jì)的一個(gè)主要參數(shù)。測(cè)量幾十毫伏或更小的紋波時(shí)，電路板上的測(cè)量位置和測(cè)量方法會(huì)顯著影響結(jié)果。如果電壓低于5 V，并且評(píng)估板上有合適的連接器，則可以使用同軸電纜來測(cè)量輸入或輸出紋波。否則，10倍探頭和1倍探頭都是不錯(cuò)的選擇。然而，這些探頭的標(biāo)準(zhǔn)接地夾會(huì)形成較長的測(cè)量環(huán)路，導(dǎo)致探頭阻抗增加，測(cè)量精度降低。建議使用尾纖引線進(jìn)行此測(cè)量，且其應(yīng)與探頭尖端和接地環(huán)牢固接觸，如圖7所示。在圖8中可以看到使用標(biāo)準(zhǔn)探頭接地連接和使用尾纖引線的測(cè)試結(jié)果的差異。將標(biāo)準(zhǔn)總線導(dǎo)線纏繞成緊密的線圈便可作為尾纖。應(yīng)避免在探頭本身上制作示波器尾纖，否則可能會(huì)損壞探頭。

圖7. 使用示波器尾纖的探頭測(cè)量連接

圖8. VOUT波紋：(a)使用普通探頭接地夾，(b)使用示波器探頭尾纖

通常在器件的輸出電壓檢測(cè)點(diǎn)上測(cè)量輸出電壓紋波。在μModule演示板中，可在電路板下方、SMPS輸出正下方的陶瓷電容上采集優(yōu)化的最小紋波。與在bulk電容兩端進(jìn)行測(cè)量相比，在陶瓷電容上測(cè)量得到的等效串聯(lián)電阻(ESR)產(chǎn)生的紋波更小。通過在電路板底部（與轉(zhuǎn)換器相對(duì)）進(jìn)行測(cè)量，電路板本身可以屏蔽EMI噪聲。在其他應(yīng)用中，用戶可能希望在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器的位置（例如施加負(fù)載的地方）測(cè)量輸出電壓紋波。與在轉(zhuǎn)換器旁邊測(cè)量相比，由于PCB的寄生效應(yīng)和此測(cè)量位置的電容量，相關(guān)輸出電壓紋波的形狀會(huì)有所不同。

輸入電壓紋波應(yīng)在最靠近IC的輸入電壓電容兩端測(cè)量，因?yàn)檫@會(huì)直接測(cè)量IC的輸入電壓。出于類似原因，該測(cè)量應(yīng)使用示波器探頭尾纖。

測(cè)量開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形 ? ? ?

正確測(cè)量開關(guān)節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)椴划?dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不正確的波形，較常見的是引入假振鈴，這可能會(huì)破壞調(diào)試工作。為了防止這種情況，應(yīng)使用短尾纖引線將示波器探頭接地。但通常開關(guān)節(jié)點(diǎn)旁邊不太方便設(shè)計(jì)接地。為了解決這個(gè)問題，可從開關(guān)節(jié)點(diǎn)旁邊的接地平面上刮掉一小塊阻焊層，并在新暴露的接地上安裝一根尾纖，以用于測(cè)量。執(zhí)行此操作時(shí)，注意不要讓開關(guān)節(jié)點(diǎn)短路至地。在圖9中可以看到使用標(biāo)準(zhǔn)探頭接地連接和使用尾纖引線測(cè)量的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的差異。

圖9. (a)使用標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭接地引線和(b)使用尾纖連接測(cè)量的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

在某些μModule器件中，為減小解決方案的體積，開關(guān)節(jié)點(diǎn)集成到了器件中，無法直接接入，例如單通道、2 A降壓轉(zhuǎn)換器 LTM8050。對(duì)于這些器件，通過在μModule封裝上方放置浮空示波器探頭，仍然可以查看開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形形狀。這種方法會(huì)對(duì)波形形狀進(jìn)行耦合測(cè)量，通過波形可以查看開關(guān)頻率并檢查逐周期穩(wěn)定性。這種耦合波形無法準(zhǔn)確測(cè)量電壓幅度。

圖10. 從μModule封裝獲取SW節(jié)點(diǎn)波形的示例，方法是讓探頭浮在封裝上方，進(jìn)行耦合測(cè)量。

10倍探頭通常更適合用于測(cè)量開關(guān)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樾盘?hào)的頻率或幅度通常較高，1倍探頭無法測(cè)量。

結(jié)論 ? ? ?

對(duì)于大多數(shù)需要升壓或顯著降壓的應(yīng)用而言，SMPS是首選電源電路—因?yàn)樵谠肼曅阅堋⑿屎徒鉀Q方案尺寸方面，SMPS在很多情況下能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)組合。設(shè)計(jì)SMPS電路時(shí)需要做出大量決策，并且需要精確測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，以獲取決策所需信息，從而確保做出正確的選擇。