Wilson Lee，泰克科技公司

今天的電源設(shè)計(jì)人員和測試工程師都在努力尋找非常小的漸進(jìn)改良方案，來提高功率轉(zhuǎn)換效率，或降低設(shè)計(jì)中的損耗。這要求能夠準(zhǔn)確評估和測量非常小的性能提高。

幾乎在功率轉(zhuǎn)換器的每個部分都存在損耗源，關(guān)鍵區(qū)域通常包括開關(guān)半導(dǎo)體、磁性元件和整流器。即使性能只改進(jìn)了幾個百分點(diǎn)，甚至是不到百分之一，可能也會具有重大的意義。而為了準(zhǔn)確評估和測量這么小的性能提高，異常準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。

大多數(shù)示波器都帶有10X衰減無源探頭，因?yàn)檫@種探頭適合在各種各樣的應(yīng)用中進(jìn)行測量。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz，一般能夠測量高達(dá)幾百伏的電壓。當(dāng)然使用通用探頭進(jìn)行功率測量也是可以的，但與這些專為功率應(yīng)用設(shè)計(jì)的探頭相比，其不可能提供所需的精度，來推動改善功率轉(zhuǎn)換性能。

信號靈敏度

我們看一下通用探頭存在短板的實(shí)例。在電源設(shè)計(jì)和測量中，一個常見的挑戰(zhàn)是把噪聲與紋波電壓隔開。在本例中，我們要使用通用10X探頭探測3.3 V電源。問題在于， 10X探頭沒有提供足夠的靈敏度，觸發(fā)波形中存在的周期噪聲。這些探頭非常適合許多通用電子測量，因?yàn)樗鼈兲岣吡?a target="_blank">示波器的電壓范圍，提供了相對較高的帶寬。

然而，為了測量幾十毫伏的小信號， 1:1 (1X)探頭會是更好的選擇，因?yàn)樗鼘?dǎo)致的信號衰減不大，不會把信號向下推進(jìn)到示波器的噪底。遺憾的是，這種靈敏度優(yōu)勢被它的帶寬劣勢抵消了，其帶寬通常只有15 MHz左右。如果這種帶寬對測量不夠，那么最好使用無源2X探頭。

事實(shí)證明，在這種應(yīng)用中，2X探頭是正確的選擇。看一下圖1中的波形。黃色軌跡是10X探頭，它調(diào)整到每格10 mV的最低垂直設(shè)置；藍(lán)色波形是2X探頭。可以把2X探頭調(diào)節(jié)到每格2 mV的最低垂直設(shè)置。由于電源輸出會產(chǎn)生3 mV紋波的信號，因此很明顯，10X衰減的探頭不太適合這種測量。

圖1. 使用2X探頭(藍(lán)色軌跡)和10X探頭(黃色軌跡)測量3.3 V電源。

差分測量

上面討論的紋波測量，只是電源設(shè)計(jì)和調(diào)試中能夠安全高效地使用單端（參考地電平）探頭的諸多應(yīng)用中的一種。但許多功能轉(zhuǎn)換測量要在浮動環(huán)境中完成，這些應(yīng)用中是不能參考地電平的。

圖2指明了沒有綁到接地，要求差分測量技術(shù)的多種常見的功率轉(zhuǎn)換測量：

MOSFET上的漏極到源極電壓(VDS)

續(xù)流二極管上的二極管電壓

電感和變壓器電壓

未接地的電阻器中的電壓降

圖2. 推/拉功率轉(zhuǎn)換器上的部分差分測量點(diǎn)。

可以通過多種方式執(zhí)行差分測量，包括：

? 使用兩只單端探頭，計(jì)算電壓差
? 使用帶有專門設(shè)計(jì)的浮動輸入的示波器
? 選擇與測量最匹配的差分探頭

使用兩只單端探頭

一種常用技術(shù)是使用兩只單端探頭，每只探頭的地線接地，并在被測元件的兩側(cè)尖端，如圖3所示。然后把示波器設(shè)置成顯示通道1和通道2之差。這有時稱為 “A-B”，它使用示波器中的數(shù)學(xué)運(yùn)算來顯示兩條通道的電壓差。在需要進(jìn)行差分測量，但沒有合適的測試設(shè)備時，工程師有時會使用這種技術(shù)。

3 圖3. 使用兩只單端探頭進(jìn)行準(zhǔn)差分測量。

這種方法有幾個問題。只有在探頭和示波器通道非常匹配時（包括增益、偏置、延遲和頻響），這種方法才會得到很好的測量結(jié)果。該方法不能提供非常好的共模抑制（清除兩個輸入共有信號的任何AC部分或DC部分）。此外，如果兩個信號沒有正確定標(biāo)，可能會出現(xiàn)示波器輸入過載的情況，得到錯誤測量結(jié)果。

使用浮動輸入

我們也可以使用“浮動”示波器。這些示波器的每條輸入通道在電氣上與機(jī)箱接地隔離，然后示波器使用電池供電。示波器機(jī)箱到接地的寄生電容也非常低。浮動示波器的這些隔離特點(diǎn)，可以使用一只絕緣的無源探頭來進(jìn)行差分測量。這些儀器非常方便，使用簡便，效果好。但是，差分電壓探頭的電容較低，要求高度平衡。

匹配的差分探頭

為獲得最好的測量精度，使用技術(shù)指標(biāo)與測量任務(wù)相匹配的差分探頭通常是最佳的選擇。差分探頭是有源器件。它們在探頭尖端有一個專門設(shè)計(jì)的差分放大器，只測量經(jīng)過兩個測試點(diǎn)的電壓，而不管任一測試點(diǎn)和接地之間的電位是多少，這就大大簡化了探測任務(wù)，消除了某些可能的誤差來源。另外，由于它們只測量差分電壓，因此它們還可以忽略并清除可能存在的共模AC擺幅或DC偏置電壓。

由于被測器件(DUT)不同部分的測量可能有著完全不同的要求，因此必須審慎地選擇探頭。在圖4所示的實(shí)例中，手邊的任務(wù)是測量被測電源MOSFET開關(guān)器件的開機(jī)損耗、關(guān)機(jī)損耗以及傳導(dǎo)損耗。圖4是帶有測量點(diǎn)TP1和TP2的MOSFET的簡化示意圖。

圖4. 帶有多個測試點(diǎn)的MOSFET的簡化示意圖。

被測器件是一種“通用”電源，設(shè)計(jì)為從世界各國的AC線路（或“市電”）電壓供電。僅此一項(xiàng)，就給工程師的測試要求及測試設(shè)備提出了多項(xiàng)要求：

? 這種器件的額定輸入電壓一般在80 VAC ~ 250 VAC或更寬。為表征全球各種輸入電壓下的性能，不僅要執(zhí)行一項(xiàng)測量，還要在多種輸入電壓下執(zhí)行一系列測量。這適用于被測試的每個性能參數(shù)。開關(guān)特點(diǎn)(及相應(yīng)損耗)預(yù)計(jì)在每個輸入電壓上都不同，可能不會以線性方式變化。這不僅提高了要執(zhí)行的測量總數(shù)，還需要在測量之間實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性。

? 由于輸入供電電壓高達(dá)250 VAC，開關(guān)MOSFET中漏極和源極之間的電壓預(yù)計(jì)會達(dá)到354 V或更高。探測解決方案必需擁有足夠的通用性，來測量這些電壓以及在某些測試中還要能夠測量低得多的電壓。

被測電源的開關(guān)速率為250 kHz。根據(jù)測量帶寬常用的5倍法則，這相當(dāng)于要求1.25 MHz的測量帶寬。但這是現(xiàn)實(shí)世界信號速度的簡化版，因?yàn)殚_關(guān)器件的實(shí)際上升時間預(yù)計(jì)會超過它一個量級。同樣，可能還要考察尖峰、瞬態(tài)信號和其他噪聲。如果要測量上升時間為幾十納秒的信號，那么探頭的上升時間應(yīng)在幾納秒。為在這個應(yīng)用實(shí)例中準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，測量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)在350 MHz或更高。

小結(jié)

選擇最好的探頭與應(yīng)用關(guān)系密切，因此必須了解應(yīng)用的測量要求，確保探頭與工作完全適應(yīng)。對許多功率電子測量來說，差分探頭是一個明確的選擇，特別是沒有參考地電平的測量。對參考地電平的測量，單端探頭是一個很好的選擇，但注意不要使用10X探頭，以免過度衰減小信號。對低壓信號，如紋波，最好使用1X探頭或2X探頭。