【導讀】功率轉換器的每個部分幾乎都存在損耗源，關鍵區域的性能即使只改進了幾個百分點，可能也會意義重大。為了準確評估和測量這么小的性能提高，異常準確的測量至關重要。選擇最好的探頭與應用關系密切，因此必須了解應用的測量要求，確保探頭與工作完全適應。
今天的電源設計人員和測試工程師都在努力尋找非常小的漸進改良方案，來提高功率轉換效率，或降低設計中的損耗。這要求能夠準確評估和測量非常小的性能提高。
幾乎在功率轉換器的每個部分都存在損耗源，關鍵區域通常包括開關半導體、磁性元件和整流器。即使性能只改進了幾個百分點，甚至是不到百分之一，可能也會具有重大的意義。而為了準確評估和測量這么小的性能提高，異常準確的測量至關重要。
大多數示波器都帶有10X衰減無源探頭，因為這種探頭適合在各種各樣的應用中進行測量。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz，一般能夠測量高達幾百伏的電壓。當然使用通用探頭進行功率測量也是可以的，但與這些專為功率應用設計的探頭相比，其不可能提供所需的精度，來推動改善功率轉換性能。
信號靈敏度
我們看一下通用探頭存在短板的實例。在電源設計和測量中，一個常見的挑戰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3.3 V電源。問題在于， 10X探頭沒有提供足夠的靈敏度，觸發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量，因為它們提高了示波器的電壓范圍，提供了相對較高的帶寬。
然而，為了測量幾十毫伏的小信號， 1:1 (1X)探頭會是更好的選擇，因為它導致的信號衰減不大，不會把信號向下推進到示波器的噪底。遺憾的是，這種靈敏度優勢被它的帶寬劣勢抵消了，其帶寬通常只有15 MHz左右。如果這種帶寬對測量不夠，那么最好使用無源2X探頭。
事實證明，在這種應用中，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，它調整到每格10 mV的最低垂直設置；藍色波形是2X探頭。可以把2X探頭調節到每格2 mV的最低垂直設置。由于電源輸出會產生3 mV紋波的信號，因此很明顯，10X衰減的探頭不太適合這種測量。
圖1：使用2X探頭(藍色軌跡)和10X探頭(黃色軌跡)測量3.3 V電源。
差分測量
上面討論的紋波測量，只是電源設計和調試中能夠安全高效地使用單端（參考地電平）探頭的諸多應用中的一種。但許多功能轉換測量要在浮動環境中完成，這些應用中是不能參考地電平的。
圖2指明了沒有綁到接地，要求差分測量技術的多種常見的功率轉換測量：
- MOSFET上的漏極到源極電壓(VDS)
- 續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/拉功率轉換器上的部分差分測量點。
可以通過多種方式執行差分測量，包括：
- 使用兩只單端探頭，計算電壓差
- 使用帶有專門設計的浮動輸入的示波器
- 選擇與測量最匹配的差分探頭
使用兩只單端探頭
一種常用技術是使用兩只單端探頭，每只探頭的地線接地，并在被測元件的兩側尖端，如圖3所示。然后把示波器設置成顯示通道1和通道2之差。這有時稱為 “A-B”，它使用示波器中的數學運算來顯示兩條通道的電壓差。在需要進行差分測量，但沒有合適的測試設備時，工程師有時會使用這種技術。
圖3：使用兩只單端探頭進行準差分測量。
這種方法有幾個問題。只有在探頭和示波器通道非常匹配時（包括增益、偏置、延遲和頻響），這種方法才會得到很好的測量結果。該方法不能提供非常好的共模抑制（清除兩個輸入共有信號的任何AC部分或DC部分）。此外，如果兩個信號沒有正確定標，可能會出現示波器輸入過載的情況，得到錯誤測量結果。
使用浮動輸入
我們也可以使用“浮動”示波器。這些示波器的每條輸入通道在電氣上與機箱接地隔離，然后示波器使用電池供電。示波器機箱到接地的寄生電容也非常低。浮動示波器的這些隔離特點，可以使用一只絕緣的無源探頭來進行差分測量。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
為獲得最好的測量精度，使用技術指標與測量任務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。它們在探頭尖端有一個專門設計的差分放大器，只測量經過兩個測試點的電壓，而不管任一測試點和接地之間的電位是多少，這就大大簡化了探測任務，消除了某些可能的誤差來源。另外，由于它們只測量差分電壓，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。
由于被測器件(DUT)不同部分的測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所示的實例中，手邊的任務是測量被測電源MOSFET開關器件的開機損耗、關機損耗以及傳導損耗。圖4是帶有測量點TP1和TP2的MOSFET的簡化示意圖。
圖4：帶有多個測試點的MOSFET的簡化示意圖。
被測器件是一種“通用”電源，設計為從世界各國的AC線路（或“市電”）電壓供電。僅此一項，就給工程師的測試要求及測試設備提出了多項要求：
- 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，不僅要執行一項測量，還要在多種輸入電壓下執行一系列測量。這適用于被測試的每個性能參數。開關特點(及相應損耗)預計在每個輸入電壓上都不同，可能不會以線性方式變化。這不僅提高了要執行的測量總數，還需要在測量之間實現可重復性。
- 由于輸入供電電壓高達250 VAC，開關MOSFET中漏極和源極之間的電壓預計會達到354 V或更高。探測解決方案必需擁有足夠的通用性，來測量這些電壓以及在某些測試中還要能夠測量低得多的電壓。
被測電源的開關速率為250 kHz。根據測量帶寬常用的5倍法則，這相當于要求1.25 MHz的測量帶寬。但這是現實世界信號速度的簡化版，因為開關器件的實際上升時間預計會超過它一個量級。同樣，可能還要考察尖峰、瞬態信號和其他噪聲。如果要測量上升時間為幾十納秒的信號，那么探頭的上升時間應在幾納秒。為在這個應用實例中準確地進行測量，測量系統的帶寬應在350 MHz或更高。
小結
選擇最好的探頭與應用關系密切，因此必須了解應用的測量要求，確保探頭與工作完全適應。對許多功率電子測量來說，差分探頭是一個明確的選擇，特別是沒有參考地電平的測量。對參考地電平的測量，單端探頭是一個很好的選擇，但注意不要使用10X探頭，以免過度衰減小信號。對低壓信號，如紋波，最好使用1X探頭或2X探頭。
作者Wilson Lee現任泰克科技公司高級市場經理。在加入泰克科技公司之前，Wilson擁有超過25年的專業經驗，先后擔任技術市場、技術銷售主管等職位，如CTS電子元器件公司等制造商，以及Richardson RFPD和Premier Farnell等技術/增值分銷商。Wilson一直專注于RF/無線、工控電源、工控自動化等細分市場內部的設計工作。Wilson從康奈爾大學獲得理學學士學位。While在從業期間先后居住在紐約、芝加哥和亞洲，目前常住美國俄勒岡州大波特蘭。
本文轉載自電子技術設計。
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