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實驗室技能對于表征和驗證ADI電源轉換器產品的出色性能至關重要。如果沒有精確的測量技術，工程師在評估不同解決方案時就無法獲得必要的信息，從而難以做出明智的決策。本文討論了如何謹慎選擇用于測量的無源探頭，以及如何優化測量方法，并介紹了有助于進一步診斷轉換器運行情況的替代測量技術。文中展示了參考設置，以說明如何獲得典型的數據手冊數據，例如電壓紋波和開關波形。

簡介 ? ? ?

評估開關模式電源(SMPS)時，需要評估許多關鍵參數。觀察特定測量結果時，也需要考慮許多因素。為了確保設計決策不受錯誤數據干擾，請務必準確執行這些測量，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估SMPS性能的強大工具。然而，正確的測量技術對示波器采集精度的重要性，再怎么強調都不為過。第一步是為要進行的測量選擇合適的示波器探頭。

無源探頭用途廣泛，能夠準確測量信號，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量操作對極其敏感電路的干擾，但此類探頭也更復雜、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行的示波器測量，并簡要討論對于某些測量操作，如何確定應選用哪一種探頭。

示波器探頭：10倍

10倍探頭是大多數現代示波器的通用標準探頭。之所以稱為10倍，是因為它們的衰減比為10:1，可以將被測信號縮小為十分之一。示波器的顯示屏會根據衰減程度進行調整，以顯示正確的電壓測量值。但用戶應注意驗證，因為不同型號的示波器可能存在差異。探頭具有較大的內部阻抗，它與示波器的阻抗一起將電壓信號衰減為1/10，如圖1所示。這種高阻抗降低了示波器的負載，也讓探頭可以正常測量通常高達數百伏的高電壓。10倍探頭的典型帶寬達到數百兆赫茲。例如，Keysight N2873A 10倍探頭的額定直流電壓為400 V，頻率高達500 MHz1。

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

此外，必須小心檢查探頭的電壓降額曲線與頻率的關系。電壓降額曲線表示，對于一定頻率的信號，探頭可以測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系，來自Keysight數據手冊

為確保千赫茲頻率范圍內的測量精度，許多10倍探頭都內置有可調補償螺絲，如圖3所示。通過這種探頭調整機制，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。完成調整后，電壓測量將具有正確的頻率響應，確保妥善地測量快速邊沿，避免出現過沖或欠沖失真。每次將探頭連接到新的示波器輸入時，都應進行校準，以解決模擬前端的細微差異。即使在同一臺示波器的不同通道之間切換，也應進行校準。要校準探頭，請將其連接到示波器的板載方波發生器，并調整探頭的補償螺絲，直至觀察到的電壓信號呈現方形，且幾乎沒有過沖或圓角，如圖4所示。

圖3. 如何使用螺絲刀工具調整10倍探頭補償

圖4. (a)標準方形；(b)過阻尼；(c)欠阻尼示波器校準測量截圖

10倍探頭能夠傳遞更高的頻率和電壓，特別適合用于測量SMPS中的開關節點電壓，也可用于測量VIN、VOUT和高頻信號電平波形。

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，即不會衰減電壓信號。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。示波器不會調整其測量比例，因此屏幕截圖的分辨率更加精細—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，Fluke 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量。測量SMPS中的電壓時，建議使用此探頭進行小信號測試，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即可。

圖5. (a) 1倍探頭(Fluke PM9001)及(b)其簡化電路?

同軸電纜?

10倍和1倍探頭通過同軸結構的電纜連接到示波器。同軸電纜的中心導線用于傳輸信號，外層金屬編織網用于屏蔽電纜和信號，使其免受電磁干擾(EMI)。經過適當端接，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置為50 Ω。

圖6. 帶有BNC連接器的同軸電纜

在示波器中應用50 Ω阻抗設置時，示波器可以支持的最大電壓會受到限制，通常為5 V。此限制可保護示波器免于過載。盡管同軸電纜測量僅限于低電壓范圍，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計電路板，留出足夠的空間來容納或插入連接器。適用于演示板測量的同軸電纜有多種樣式，其規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堅固可靠且易于獲取，因此常用于示波器測量。這些同軸電纜通常用于測量SMPS輸出端的動態負載電路中的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設計。

探頭選擇總結 ? ? ?

10倍探頭建議用于捕獲高電壓和進行一些高頻測量。對于小電壓和低頻測量，建議使用1倍探頭。同軸電纜適用于低壓和高頻測量，但需要在PCB上的測試點配備連接器。表1總結了這些差異。

表1. 10倍、1倍和BNC同軸電纜使用總結

測量電壓紋波 ? ? ?

輸出電壓紋波是電源的一個主要規格，也是用于比較不同設計的一個主要參數。測量幾十毫伏或更小的紋波時，電路板上的測量位置和測量方法會顯著影響結果。如果電壓低于5 V，并且評估板上有合適的連接器，則可以使用同軸電纜來測量輸入或輸出紋波。否則，10倍探頭和1倍探頭都是不錯的選擇。然而，這些探頭的標準接地夾會形成較長的測量環路，導致探頭阻抗增加，測量精度降低。建議使用尾纖引線進行此測量，且其應與探頭尖端和接地環牢固接觸，如圖7所示。在圖8中可以看到使用標準探頭接地連接和使用尾纖引線的測試結果的差異。將標準總線導線纏繞成緊密的線圈便可作為尾纖。應避免在探頭本身上制作示波器尾纖，否則可能會損壞探頭。

圖7. 使用示波器尾纖的探頭測量連接

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點上測量輸出電壓紋波。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化的最小紋波。與在bulk電容兩端進行測量相比，在陶瓷電容上測量得到的等效串聯電阻(ESR)產生的紋波更小。通過在電路板底部（與轉換器相對）進行測量，電路板本身可以屏蔽EMI噪聲。在其他應用中，用戶可能希望在遠離轉換器的位置（例如施加負載的地方）測量輸出電壓紋波。與在轉換器旁邊測量相比，由于PCB的寄生效應和此測量位置的電容量，相關輸出電壓紋波的形狀會有所不同。

輸入電壓紋波應在最靠近IC的輸入電壓電容兩端測量，因為這會直接測量IC的輸入電壓。出于類似原因，該測量應使用示波器探頭尾纖。

測量開關節點波形 ? ? ?

正確測量開關節點至關重要，因為不當的測量技術會產生不正確的波形，較常見的是引入假振鈴，這可能會破壞調試工作。為了防止這種情況，應使用短尾纖引線將示波器探頭接地。但通常開關節點旁邊不太方便設計接地。為了解決這個問題，可從開關節點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，以用于測量。執行此操作時，注意不要讓開關節點短路至地。在圖9中可以看到使用標準探頭接地連接和使用尾纖引線測量的開關節點波形的差異。

圖9. (a)使用標準示波器探頭接地引線和(b)使用尾纖連接測量的開關節點波形

在某些μModule器件中，為減小解決方案的體積，開關節點集成到了器件中，無法直接接入，例如單通道、2 A降壓轉換器 LTM8050。對于這些器件，通過在μModule封裝上方放置浮空示波器探頭，仍然可以查看開關節點波形形狀。這種方法會對波形形狀進行耦合測量，通過波形可以查看開關頻率并檢查逐周期穩定性。這種耦合波形無法準確測量電壓幅度。

圖10. 從μModule封裝獲取SW節點波形的示例，方法是讓探頭浮在封裝上方，進行耦合測量。

10倍探頭通常更適合用于測量開關節點，因為信號的頻率或幅度通常較高，1倍探頭無法測量。

結論 ? ? ?

對于大多數需要升壓或顯著降壓的應用而言，SMPS是首選電源電路—因為在噪聲性能、效率和解決方案尺寸方面，SMPS在很多情況下能夠實現最優組合。設計SMPS電路時需要做出大量決策，并且需要精確測量關鍵參數，以獲取決策所需信息，從而確保做出正確的選擇。