電源測試之-MOSFET開關軌跡線的示波器重現方法

MOSFET的開關軌跡線是判斷MOSFET開關過程「軟硬」程度的重要評估指標，MOSFET的軟硬程度對於開關電源的性能、壽命、EMI水平都有至關重要的影響，本文介紹了一種簡單實用的方法，利用泰克TDS3000系列示波器，可以實時做出MOSFET的開關軌跡線，為改善MOSFET的開關狀態提供依據。

開關電源中的開關器件(本文以MOSFET為例)在任意時刻的損耗都可以用下式計算，

其中，ID為開關器件的電流，UDS為電壓。一般地，我們希望開關器件工作在飽和或截止狀態。為減小開關損耗，在器件開關的動態過程中，總希望ID和UDS在任意時刻都至少有一個值接近或等於零。開關軌跡線可以很好的體現出開關器件的電流和電壓的關係，開關軌跡線以MOSFET的漏源極電壓UDS為橫軸，漏極電流ID為縱軸，標示出MOSFET所承受的電流和電壓的關係。典型開關軌跡線如圖1所示：

圖1中a線表示了MOSFET的一次開通過程，UDS逐漸降低，ID逐漸升高；b線表示了一次關斷過程，UDS逐漸升高，ID逐漸降低。但是這樣的開關過程中存在電壓和電流都很高的時刻，將會造成很大的開關損耗，這就是所謂的硬開關。硬開關不但增加了開關損耗，而且影響 MOSFET的壽命，更造成複雜的EMI問題，所以我們通常希望開關過程儘量「軟」一點。c、d線表示了一次理想的軟開關過程，c線表示MOSFET開通時，漏源極電壓下降到零，漏極電流才開始從零上升，d線表示MOSFET關斷時，漏極電流先下降到零後，漏源極電壓才開始上升。也就是說，開關軌跡線越是靠近坐標軸，開關過程就越「軟」。

圖1. 典型開關軌跡線

開關軌跡線

利用開關軌跡線，可以評估MOSFET的開關狀態，為改善開關過程提供定量依據。本文介紹了一種利用TDS3000系列示波器，可以實時做出MOSFET 的開關軌跡線，為改善MOSFET的開關狀態提供指標。試驗電路為常見的回掃(flyback)電路，如圖2。CH1通道接電壓探頭，採樣MOSFET漏極電壓，CH2通道接電流探頭，採樣MOSFET的漏極電流。選擇合適的水平和垂直標度，將觸發電平設置到CH1上，可以得到如圖3所示波形。

這個波形只是表示出電壓和電流隨時間變化的情況，沒有直觀地體現電壓和電流的相互關係。我們可以利用TDS示波器的XY顯示模式，觀察MOSFET的開關軌跡線。將TDS示波器調節到XY模式，調節CH1和CH2的幅值標度到合適位置，即可得到如圖3.b所示波形。這個波形顯示了一個完整的MOSFET開關周期中的電流電壓的相互關係，也就是開關軌跡線。其中ABC為開通軌跡線，CDA為關斷軌跡線。

也可以將MOSFET的開通軌跡線單獨顯示在屏幕上，具體做法如下：將時域的波形逐漸拉寬，讓整個屏幕只顯示開通過程的波形(此時除了調節時間標度，還可能需要調節一下觸發電平)，使開通瞬間地電流電壓波形處於屏幕正中間，如圖4。

此時，將示波器調節到XY模式下，即可可以看到MOSFET的開通軌跡線。在回掃電路中，由於MOSFET開通後，變壓器原邊電感限制漏極電流的突變，漏極電流從零上升，MOSFET是軟開通。這個特性在開通軌跡線上，表現為電壓先沿著或貼近X軸減小到零，漏極電流才開始上升。