使用 Infiniium EXR 系列示波器测试开关模式电源
应用指南
如何使用 Infiniium EXR 示波器测试开关电源性能？
开关电源 (SMPS) 不仅小巧方便，其效率和功能也超越了线性电源。实时示波器可以选配电源分析软件，帮助您更快、更彻底地测试和表征电源。许多是德科技示波器能通过选配的电源测量应用软件实施各种与电源相关的测量。本应用指南将向您展示如何使用 Infiniium EXR 系列示波器来测试开关电源。具体来说，本应用指南将说明示波器如何使用可选电源分析软件 (P/N: D9010PWRA) 进行输入信号分析、开关切换器件和输出分析等基础测量。
目录
- 需要的设备 - 3
- 探头 - 4
- 交流输入分析 - 5
- 电源质量分析 - 6
- 电流谐波 - 7
- 冲击电流 - 9
- 开关器件分析 - 10
- 开关损耗 - 11
- 有效导通电阻 - 13
- 转换速率 - 14
- 输出分析 - 15
- 输出纹波 - 15
- 导通/关断时间 - 16
- 瞬态响应分析 - 18
- 效率 - 20
- 结论 - 23
需要的设备
下表列出了 SMPS 测试所需的一系列硬件、软件、探头和附件：
- Keysight EXR054A 或 EXR058A 示波器
- D9010PWRA 电源测试软件
- U1880A 配有 USB 电源线的探头偏移校正夹具
- N2790A 高压差分有源探头
- 1147B（最高 50 MHz/15A）、N2893A（最高 100 MHz/15A）或 N7026A（最高 150 MHz）交流/直流电流探头
- 10:1 无源电压探头（例如 N2873A）
- 开关电源 (SMPS)
探头
您的开关电源的工作电压决定了您可能需要使用高压差分有源探头。请务必根据信号选择正确的探头。请注意，N2790A 高压差分探头可用于 50:1 衰减设置（±140V 最大值）或 500:1 衰减设置（±1400V 最大值）。但是，示波器只会在 50:1 设置下进行探测。如需使用 500:1 衰减设置来探测更高电压，您必须在示波器的探头设置菜单中手动输入这个衰减系数，才能进行精确的电压测量。（要获得正确的测量结果，示波器的探头衰减系数设置与所用探头的衰减系数必须匹配。）使用电流探头时，不要忘记在断开它与被测器件 (DUT) 的连接后，还要按下探头底座附近的消磁(DEMAG) 按钮对其消磁。此外，如果使用 1147B 电流探头，您可以通过旋转 ZERO ADJ 指轮将偏移归零，直到基线电流波形与断开了探头时的示波器显示屏上的接地指示标记对齐。如果使用 N2893A 或N7026A 电流探头，偏移误差可在示波器的探头设置菜单中自动校准。
电压探头和电流探头之间的时序偏移会导致功率测量结果出现重大误差和失真，尤其是开关损耗测量更是如此。偏移校正非常关键，因为电压迹线和电流迹线之间的时序偏移即使非常小，也会导致瞬时功率读数出现很大误差。要对一对探头进行偏移校正，请使用 U1880A 偏移校正夹具向电压探头和电流探头输入同样的脉冲信号。您只需点击菜单，即可自动执行偏移校正，校正值会保存在电源测量软件中。保存了校正值后，下次启动电源测量应用软件时，您可以使用保存的偏移校正值，也可以再次执行偏移校正。因此，要获得精确的测量结果，千万不要忘记对电流探头和电压探头执行偏移校正。U1880A 偏移校正夹具的使用方法如下：
- 将 U1880A 的 USB 电缆一头连接偏移校正夹具，另一头连接示波器背面的 USB 端口。
- 选择“分析”菜单，再选择“电源分析”，然后打开窗口顶部的“设置向导”。
- 选择“偏移校正”进行校准。
- 将偏移校正夹具上的 S1 开关设置为“小回路”选项，该选项位于夹具的右边。
- 如图 3 所示，将 N2790A 高压差分有源探头（使用 50:1 衰减设置）一头连接示波器的通道 1输入端，另一头连接 U1880A 偏移校正夹具上的 J6（红色测试点上的红线）和 J7（黑色测试点上的黑线）。
- 按照偏移校正夹具上指示的方向使用电流探头连接示波器通道 2 输入端与“小回路”，让电流流向电路板顶部。
- 选择“校准”。
对于以上部分，我们假设通道 1 为电压通道，通道 2 为电流通道。请以此为参考，灵活使用测试系统中最便于操作的通道。
交流输入分析
交流输入分析涉及交流输入信号的电源质量、电流谐波和冲击电流。但是，对于下面介绍的三种输入分析测量，您需要采取以下设置才能获得最佳结果：
- 将 N2790A 电压探头一头连接示波器的通道 1 输入端，另一头连接火线（红线）和零线（黑线）。
- 将电流探头一头连接示波器通道 2 的输入端，另一头连接输入火线信号的线回路。您可能需要在被测器件上创建自己的线路电流回路。
- 在执行测量之前，确保将“信号”部分的电压设置为通道 1，将电流设置为通道 2，如图 4 所示。现在，您可以对电源的交流输入信号执行电源质量测量、电流谐波和冲击电流测量。
电源质量分析
实际功率、视在功率、无功功率、功率因数、峰值因数和相位角等参数能够反映信号质量，您能够根据它们连续监测信号质量，尽早检测偏移，分析问题原因并及时采取纠正措施，从而提高整个交流电网的可靠性。假设您已经在前面的第 1-3 步中设置好了探头，接下来就可以在交流输入端执行电源质量测量：
- 按前面板上的“默认设置”键，从说明中的参考点开始测量。（菜单顶部的“打开”按钮默认处于“关闭”状态。您可以随时选择“打开”，但更高效的做法是选择特定的功率测量，进行相应的设置（选择通道、设置、自动设置等），然后再选择“打开”。
- 选择“分析”菜单，然后选择“电源分析”。
- 选择“输入测量”，然后选择“电源质量”测量。您将会看到一个与图 4 中“电源分析”窗口相似的窗口。
- “电源分析”窗口中的周期数是测量的基础。
- 选择“自动设置”，该选项可以为您选择最适合的标度。
Infiniium EXR 系列示波器将会自动设置垂直和水平标度，打开功率波形 (V x I)，然后测量各种电源质量参数，如图 5 所示。功率波形使用示波器的“波形运算”功能 (P=V x I) 生成。如果开启电源质量测量，EXR 示波器会自动提供实际功率 (W)、视在功率 (VA)、无功功率 (VAR)、功率因数、电压和电流的峰值因数、RMS 电压、相位角和频率的测量结果。
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