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使用示波器测量电源开关损耗

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发表时间:2020-06-24 09:11作者:DanielQiu


  随着人们需要改善功率效率,延长电池供电的设备的工作时间,分析功率损耗及优化电源效率的能力比以前变得更加关键。效率中一个关键因素是开关器件的损耗。本文概括介绍这些测量,以及使用示波器和探头进行更好、更可重复的测量的部分技巧。典型开关式电源的效率可能约为 87%,也就是 13% 的输入功率在电源内部耗散了,主要以废热的形式。在这些损耗中,很大一部分耗散在开关器件扣,通常 MOSFETs IGBTs在理想情况下,开关器件照明开关一样要么、要么,并在这两种状态之间瞬时切换。在的状态下,开关的阻抗是零,开关中没有功率耗散, 而不管有多少电流流经开关。在的状态下,开关的阻抗是无穷大,流经的电流是零,因此也没有功率耗散。


图1. 简化的开关式电源开关电路。


2. 把流经开关器件的瞬时电压乘以电流,得到整个开关周期中的瞬时功率。


3. A:开关在示意图上的表现;B:电路怎样看待开关。



在实践中,某些功率是在传导)的状态过程中耗散的,而通常来说,在(关闭 转换及在打开)转换期间耗散的功率要明显高得多。之所以发生这些不理想的特点,是因为电路中存在着寄生要素。如图 3b 所示,栅极上的寄生电容会降慢器件的开关速度,延长打开时间和关闭时间。在漏极电流流动时,MOSFET 漏极和源极之间的寄生电阻都会耗散功率。



传导损耗

在传导状态下,开关中的电阻和电压确实会有小的下降,开关耗散的功率与流经的电流有关。

MOSFET,这种功率的模型一般为:


其中 ID 是漏极电流

- RDSon 是漏极和源极之间的动态开点电阻,通常<1

- VDS 是漏极和源极之间的饱和电压,通常< 1 V


对IGBT 或BJT,这种功率的模型一般为:


- 其中IC 是集电极电流

- VCEsat 是集电极和发射器之间的饱和电压,通常< 1 V



打开损耗

在打开过程中,流经开关的电流迅速提高,器件中的电压下降迅速减少。但是,电容要素比如MOSFET 中的栅极到漏极电容,会阻止开关瞬时打开。在器件将要打开时,会有明显的电流流经器件,器件中会有明显的电压,会发生明显的功率损耗。

MOSFET在打开过程中,这种功率的模型一般为:


-其中 ID 是漏极电流

-VDS 是漏极和源极之间的电压




IGBT BJT,在打开过程中,这种功率的模型一般为:


-其中 IC 是集电极电流

-VCE 是集电极到发射器电压


关闭损耗

同样,在关闭过程中,流经开关的电流迅速下降,器件中的电压下降迅速提高,但电路寄生要素会阻止开关瞬时关闭。在器件将要关闭时,会有明显的电流流经器件, 器件中会有明显的电压,会发生明显的功率损耗。其同样适用上面的公式。



测量开关损耗

测量开关损耗有两种方法:可以使用手动设置及内置示波器测量功能测量,某些示波器上还提供了自动测量系统。自动测量的优势是设置简便,提供了简便的可重复的结果。不管采用哪种技术,审慎的探测和优化都将帮助您获得优异的结果。

探测和测量设置

在讨论具体功率测量前,进行准确的、可重复的测量有六个关键步骤:

  1. 消除电压偏置误差:差分探头中的放大器可能会有微的 DC 电压偏置,会影响测量精度。使输入短路, 不应用信号,在探头中把 DC 偏置自动或手动调节为零。

  2. 消除电流偏置误差:电流探头还可能会由于探头的残余磁性而产生 DC 偏置误差,及产生放大器偏置。关闭下鄂,不应用信号,在探头中自动或手动清零 DC 偏置。

  3. 消除定时误差:由于瞬时功率测量是在多个信号基础上计算得出的,因此信号必须正确对准时间。可以使用不同的技术,测量电压和电流;流经这些器件的传播延迟可能会明显不同,导致测量误差。通过调节通道间定时,考虑时延校正菜单中的标称传播时延, 一般可以获得优异的结果。为获得最准确的结果,对所有信号使用高转换速率信号,审慎地消除所有通道之间的任何相对定时偏置 ( 时延 )。


  4. 优化信噪比:在所有测量系统中,尤其是在现代示波器等数字设备中,优秀的测量技术要求把信号保持得尽可能大( 没有削波),以使噪声的影响达到最小,使垂直分辨率达到最大。这包括在探测信号时使用最低的必要衰减,使用示波器的全部动态范围。


  5. 信号调节:通过调节输入信号,也可以改善测量质量。可以使用带宽限制功能,选择性地降低关心的频率以上的噪声,可以使用平均功能,降低信号上不相关的噪声或随机噪声。HiRes 采集模式(一种波形串平均技术)提供了带宽限制和降低噪声功能,提高了垂直分辨率,甚至可以用于单次采集的信号。


  6. 精度和安全:为实现最佳精度,一定要在正常工作范围内及低于额定峰值水平使用设备。为确保安全,一直要在设备的绝对最大指标范围内操作,并遵守制造商的使用说明。


测量开关损耗 - 手动设置和内置测量

  测量关闭损耗的方式之一是使用选通测量,其目标是测量关闭阶段中耗散的平均功率。在本例中,我们使用差分电压探头采集 MOSFET VDS,在图 4 中用黄色显示。我们使用 AC/DC 电流探头采集漏极电流, 在图中用青色显示。我们调节每条通道的垂直灵敏度和偏置,因此信号占用垂直范围的一半以上,但没有扩展到格线的顶部和底部。


  稳定的显示对可视分析非常重要,因此示波器的边沿触发设置成电压波形上的 50% 点。然后设置采样率, 在信号边沿上保证充足的定时分辨率。在本例中,10 MS/s 的采样率在开关波形的每个边沿上导致许多样点。最后,启用 HiRes 采集模式,把信号带宽降低到大约 4.4 MHz把垂直分辨率提高到大约 12 位。


  然后使用波形数学运算,把电流乘以电压,得到橙色瞬时功率波形。使用自动测量功能测量功率波形的平均值或中间值,采用光标选通功能把该测量限定在关闭区域。为提高平均功率测量的分辨率和可重复性, 可以平均多次采集中的测量值,消除随机噪声的影响。



4. 通功能自动测量 MOSFET 开关中的关闭功率损耗。


在本例中,图 4 画面左下角显示了得到的 1000 多次关闭功率测量的平均值。

在本例中,工程师手动调节示波器,优化关闭损耗测量的质量。日后,这名工程师或另一名工程师可能会以略微不同的方式设置测量,得到不同的测量结果。通过功率分析软件自动进行测量,可以消除许多变化来源。


    

      图 5. DPOPWR 自动开关损耗测量。          图 6. DPOPWR 可以显示多个周期上打开过程中 ( 黄色轨迹 )

                        和关闭过程中 ( 红色轨迹 ) 电压相对于电流的关系,查看这 些特

                        点怎样随时间变化。这条电路的打开和关闭慢且均衡, 因此示图

                        是线性的。


测量开关损耗 - 使用功率分析软件自动进行测量

为统一优化设置,改善测量重复能力,可以使用功率测量应用软件。在本例中DPOPWR 高级功率分析应用软件为开关损耗测量提供了定制自动设置功能, 只需按一个按钮,就可以执行全套开关损耗功率和能量测量。

转换速率和开关损耗

正如检测瞬时功率波形预计的及图 5 中开关损耗测量值所示的那样,关闭损耗是总开关损耗中主要的损耗机制。这么高的损耗的潜在原因是开关驱动电路的性能。如果驱动信号的跳变时间或转换速率低于预期, 那么开关在开态和关态之间保持的时间要长于预期, 开关损耗将高于预期。

转换速率测量一定时间间隔中 ( 通常在边沿上 10% 90% 点之间 ) 的电压变化,单位为伏 / 秒。由于数学导数本身是一个高通滤波器,因此会加重噪声,建议使用平均功能,降低随机噪声对这些测量的影响。

通过把一个波形光标放在信号边沿的 10% 点上,把另一个光标放在波形边沿的 90% 点上,可以使用光标手动进行转换速率测量。然后把电压测量值除以光标之间的时间差,计算得出转换速率。这种技术要求用户估算波形上的 10% 和 90% 点,计算结果。




    

7. 自动测量 MOSFET 栅极转换速率。    8. DPOPWR 自动开关损耗测量显示结果得到明显改善。




许多示波器可以使用自动测量改善这一过程。可以使用自动幅度和上升时间测量,确定信号的幅度,设置10% 90% 幅度时的测量门限值,然后测量信号的上升时间。此外,在复杂的信号中,可以使用光标选通功能,把测量重点放在波形的特定部分。然后把幅度乘以 80%,除以上升时间指标,计算得出转换速率。

但是,功率分析软件可以简便地设置转换速率测量, 减少了测量结果中的变化,因为设计工程师会调节电路中的分量值。

MOSFET 栅极(VGS,图7 中用通道3 上的紫色显示)进行光标选通转换速率测量显示,开关信号要比设计指标慢得多,因为开关器件栅级的电容要高于预期。

如图 7 中的垂直光标之间所示,指数衰落与栅极驱动电路的输出阻抗、开关 MOSFET 器件的寄生栅极电容和栅极的电路板电容有关。在驱动信号的速度提高时, 通过降低栅极驱动输出阻抗及栅极节点的电容,开关损耗改善了大约 30%如图 8 所示。

开关损耗测量是优化开关式电源效率的关键部分。通过使用优秀的测量技术及自动进行功率测量,可以简便、迅速、可重复地进行一系列复杂的开关损耗测量。


测试仪器组合一:




MSO5 系列混合信号示波器5-PWR 功率测量和分析TDP1000 1 GHz差分探头TCP0030A 120 MHz AC/DC电流探头



测试仪器组合二:






MSO5204B混合信号示波器DPOPWR高级功率分析应用软件TDP1000 1 GHz差分探头TCP0030A 120 MHz AC/DC电流探头


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文章分类: 新闻动态应用案例
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