工程師園地|不只是個示波器 你是否真的做電源分析插件?

導讀：開關電源的質量直接影響到產品的技術性能以及其安全性和可靠性。電源測試項目多，計算量大，統計繁瑣等問題一直困擾著工程師們，為了解決這些問題，今天就帶您走進開關電源測試的新世界。

示波器電源測試分析主要實現使用示波器來對電源(開關電源)進行相關測試，提高電源開發人員的工作效率，方便對電源模塊進行測試。主要涉及開關電源(AC/DC)有關測試。在大多數現代系統中，流行的DC電源結構是開關電源(SMPS)，這種電源因能夠高效處理負載變化而聞名。

典型SMPS的電源信號路徑包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了有損耗的元件的使用量，如電阻器和線性模式電晶體，重點採用(在理想條件下)沒有損耗的元件，如開關式電晶體、電容器和磁性元件。其主要構成如圖1所示。

圖1 開關電源原理圖

開關電源的測試參數主要包括輸入端分析、輸出端分析、磁性元件分析、開關器件分析、調製分析、環路分析等，如下表為進入電源分析測試界面後，對於各個測試功能的測試項目。首先我們先以最常見的開關損耗測試為例進行講解。

一 開關損耗測試

1、測試原理

開關電源的開關器件總是工作在打開或關閉狀態，可以提供更高的效率。理想情況下，開關器件打開和關閉是沒有損耗的。如圖2所示。

ON = 完全導通(理想情況下 V = 0，意味著開關損耗 P = V x I = 0)

OFF = 完全關閉(理想情況下 I = 0，意味著開關損耗 P = V x I = 0)

圖2 理想開關器件

但現實情況中，是在存功率損耗的。主要包括開關損耗，傳導損耗。如下圖3所示。

圖3 實際損耗

針對功率損耗主要計算主要包括三部分之和：

導通過程損耗+關閉過程損耗+導通損耗

Ploss=Pon+Poff+Pcond

2、測試步驟

開關元件分析的接線示意圖如下圖4所示。其中通道1使用高壓差分電壓探頭接開關的兩端，通道2使用電流探頭接開關的一端

圖4 開關元件接線示意圖

調節好電流探頭和電壓探頭的探頭比率後，點擊【Analyze】進入電源分析測試界面，在【功能】中選擇【開關損耗】點擊【參數配置】進入參數設置界面，如下圖5所示。參數設置用於判定開關的狀態，需要進行設置的參數有電壓通道、電流通道、參考電壓、參考電流和導通計算選擇。

圖5 開關損耗參數設置

計算結果表格如圖6所示。

圖6 開關損耗測量結果

當前值：該行結果為當前樣本的計算結果。最大值、最小值和平均值：統計結果，可以使用Clear進行清除並重新開始統計。功率最大統計項(P)：瞬時功率最大值。能量最大統計項（E）：與瞬時功率對應的能量，其時間是一個採樣間隔。功率平均值統計項(P)：整個樣本平均功率。

有的工程師會問了，這麼多的功率值我主要參考哪個值呢？小編建議是以當前值為參考值哦。

圖7 dv/dt 或 di/dt 效果圖

其中：黃色為dv/dt，綠色為di/dt。

參考電壓——用來識別導通狀態。當電壓值小于波形最大電壓的參考電壓百分比時，認為該狀態為導通狀態。

參考電流——用來識別關閉狀態。當電流值小于波形最大電流的參考百分比時，認為該狀態為關閉狀態。

參考電壓和參考電流一般設置為默認值就可以。

二 環路分析

環開關電源的環路分析，可以測量系統的增益、相位隨頻率變化的曲線(伯德圖)，分析系統的增益餘量與相位餘量，以判定系統的穩定性；在被動器件的阻抗分析中，環路分析可以觀察電容、電感的高頻阻抗曲線，測量電容ESR等。環路分析的一個重要作用就是分析開關電源的穩定性。

1、測試原理

掃頻測試原理主要是給開關電源電路注入一個頻率變化的正弦信號，測量開關電源在頻域上的特性，通過分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來判斷環路是否穩定，可以為電子工程師設計穩定的控制電路提供直觀的數據。另外，環路分析也有單頻點測試功能。利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統增益的大小和相位，如圖8所示。

圖8 伯德圖及相關參數

伯德圖相關參數有：

穿越頻率：增益為 0dB 時對應的頻率；相位裕度：增益為 0dB 時對應的相位差；增益裕度：相位為 0°時對應的增益差。

系統的穩定性可以通過伯德圖中的相位餘量，增益餘量，穿越頻率來衡量。

系統開發期間，研發人員可以在開發前期使用系統仿真軟體Saber、PSIM、simplis上面進行環路電路的設計和模擬，在開發的中後期，則可以使用ZDS3000/4000系列示波器的環路分析功能進行實際的環路電路特性的驗證和改進。

2、測試步驟

開關電源實際上是一個包含了負反饋控制環路的放大器，會放大交流信號並對負載變化作出反饋響應。為了完成控制環路響應測試，需要把一個擾動信號（一定幅度和頻率範圍的掃頻正弦波信號或單一頻點正弦波信號）注入到控制環路的反饋路徑中。這個反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網絡。我們需要把一個阻值很小的注入電阻插入到反饋環路中，才能注入一個擾動信號。

例如下圖9所示的注入電阻為5Ω，注入電阻與R1和R2串聯阻抗相比是微不足道的。所以，用戶可以考慮把這個低阻值注入電阻器作為長久使用的測試器件。另外還需要使用一個隔離變壓器來隔離這個交流幹擾信號，從而不產生任何的直流偏置。由於實際的注入和輸出的電壓一般都很小，因此信號注入端建議使用BNC頭轉夾子的線纜進行信號注入，並且使用X1的探頭進行注入端和反饋端的信號測量。

環路功能的同步環路測試時，需要使用致遠電子環路測試配套的信號發生模塊與ZDS3000/4000系列示波器相連，通過示波器控制信號發生模塊配合生成需要的頻率信號，環路測試信號接線圖如圖9所示。

圖9 環路測試信號接線

同步環路測試的實物連接圖如圖10所示，該圖中使得一根BNC線纜連接ZDS3000/4000系列背部的觸發輸出端與信號發生模塊，信號發生模塊的輸出再用BNC線纜連接到隔離變壓器，隔離變壓器的輸出通過BNC轉夾子的線纜，將信號注入到被測板的注入電阻兩端，然後用兩根衰減比為X1的探頭，測量注入端與輸出端的信號。

圖10 環路測試實物連接

3、參數設置

點擊示波器面板上【Analyze】鍵，再點擊【環路測試】按鈕，進入環路測試功能菜單。點擊【參數設置】按鈕，會彈出參數設置窗口，旋轉旋鈕A可選擇參數，短按旋鈕A後可進行參數修改，其中包括【參數設置】、【濾波設置】和【同步設置】。如圖11所示：

圖11 參數設置菜單

環路功能的運行可以點擊菜單的【運行停止】測試啟動後，界面會切換到環路掃頻運行的界面，功能會根據當前採樣到的頻率、相位差、增益，不斷地繪製出頻率與相位、頻率與增益的動態曲線，其中，藍色曲線為增益曲線，橙色曲線為相位曲線。如圖12所示：

圖12 掃頻測試運行中

4、界面說明

ZDS3000/4000系列環路分析功能擁有獨特的掃頻分析操作界面，對測試操作和用戶體驗進行了創新性地設計，如圖13所示：

圖13 環路測試掃頻界面

包含有如下區域：

掃頻波形顯示區域：藍色曲線為增益曲線，橙色曲線為相位曲線，PM/GM 信息顯示在右上角，可通過旋鈕 B 進行滾動查看每個測量點，並可放大顯示；快捷操作觸摸按鈕區域：這個區域擁有一排快捷操作按鈕，觸摸點擊操作，例如可以載入校準參數，可以切換增益和相位曲線的顯示方式；增益相位垂直刻度：顯示當前增益曲線和相位曲線的垂直刻度，在掃頻運行過程中，功能會自動調節垂直刻度，以滿足變化的曲線顯示範圍。在掃頻結束後，用戶可以自己手動修改垂直檔位和範圍。存儲通道操作區域：功能可支持存儲8組之前的掃頻曲線，方便進行測試之間的對比。可對每組存儲通道進行顯示隱藏、重命令、導入導出等操作。

5、結果分析

過掃頻曲線伯德圖，可以直觀地看到整個頻率範圍內的增益和相位變化趨勢，方便觀察和分析，做到心中有數。實測電源的掃頻曲線如圖13所示，增益裕量（GM）和相位裕量（PM）信息顯示在掃頻界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB時的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量開關電源穩定的一個重要指標。