Wilson Lee，泰克科技公司

今天的電源設(shè)計(jì)人員和測(cè)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(píng)估和測(cè)量非常小的性能提高。

幾乎在功率轉(zhuǎn)換器的每個(gè)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(gè)百分點(diǎn)，甚至是不到百分之一，可能也會(huì)具有重大的意義。而為了準(zhǔn)確評(píng)估和測(cè)量這么小的性能提高，異常準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)量。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz，一般能夠測(cè)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(cè)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(dòng)改善功率轉(zhuǎn)換性能。

信號(hào)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(cè)量中，一個(gè)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(cè)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(cè)量，因?yàn)樗鼈兲岣吡?a target="_blank">示波器的電壓范圍，提供了相對(duì)較高的帶寬。

然而，為了測(cè)量幾十毫伏的小信號(hào)， 1:1 (1X)探頭會(huì)是更好的選擇，因?yàn)樗鼘?dǎo)致的信號(hào)衰減不大，不會(huì)把信號(hào)向下推進(jìn)到示波器的噪底。遺憾的是，這種靈敏度優(yōu)勢(shì)被它的帶寬劣勢(shì)抵消了，其帶寬通常只有15 MHz左右。如果這種帶寬對(duì)測(cè)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(huì)產(chǎn)生3 mV紋波的信號(hào)，因此很明顯，10X衰減的探頭不太適合這種測(cè)量。

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

差分測(cè)量

上面討論的紋波測(cè)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(cè)量要在浮動(dòng)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(cè)量技術(shù)的多種常見的功率轉(zhuǎn)換測(cè)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(cè)量點(diǎn)。

可以通過多種方式執(zhí)行差分測(cè)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(dòng)輸入的示波器
? 選擇與測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)量，但沒有合適的測(cè)試設(shè)備時(shí)，工程師有時(shí)會(huì)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(cè)量。

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

使用浮動(dòng)輸入

我們也可以使用“浮動(dòng)”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(dòng)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(cè)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(cè)量精度，使用技術(shù)指標(biāo)與測(cè)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?cè)谔筋^尖端有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的差分放大器，只測(cè)量經(jīng)過兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電壓，而不管任一測(cè)試點(diǎn)和接地之間的電位是多少，這就大大簡化了探測(cè)任務(wù)，消除了某些可能的誤差來源。另外，由于它們只測(cè)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(cè)器件(DUT)不同部分的測(cè)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(cè)量被測(cè)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(cè)量點(diǎn)TP1和TP2的MOSFET的簡化示意圖。

圖4. 帶有多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的MOSFET的簡化示意圖。

被測(cè)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(cè)試要求及測(cè)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(cè)量，還要在多種輸入電壓下執(zhí)行一系列測(cè)量。這適用于被測(cè)試的每個(gè)性能參數(shù)。開關(guān)特點(diǎn)(及相應(yīng)損耗)預(yù)計(jì)在每個(gè)輸入電壓上都不同，可能不會(huì)以線性方式變化。這不僅提高了要執(zhí)行的測(cè)量總數(shù)，還需要在測(cè)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(huì)達(dá)到354 V或更高。探測(cè)解決方案必需擁有足夠的通用性，來測(cè)量這些電壓以及在某些測(cè)試中還要能夠測(cè)量低得多的電壓。

被測(cè)電源的開關(guān)速率為250 kHz。根據(jù)測(cè)量帶寬常用的5倍法則，這相當(dāng)于要求1.25 MHz的測(cè)量帶寬。但這是現(xiàn)實(shí)世界信號(hào)速度的簡化版，因?yàn)殚_關(guān)器件的實(shí)際上升時(shí)間預(yù)計(jì)會(huì)超過它一個(gè)量級(jí)。同樣，可能還要考察尖峰、瞬態(tài)信號(hào)和其他噪聲。如果要測(cè)量上升時(shí)間為幾十納秒的信號(hào)，那么探頭的上升時(shí)間應(yīng)在幾納秒。為在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例中準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)量要求，確保探頭與工作完全適應(yīng)。對(duì)許多功率電子測(cè)量來說，差分探頭是一個(gè)明確的選擇，特別是沒有參考地電平的測(cè)量。對(duì)參考地電平的測(cè)量，單端探頭是一個(gè)很好的選擇，但注意不要使用10X探頭，以免過度衰減小信號(hào)。對(duì)低壓信號(hào)，如紋波，最好使用1X探頭或2X探頭。