电源工程师在进行效率、功率需求、可靠性和成本设计时，需要不断提高资料传输率以及拥有低电压高电流的千兆赫（GHz）级别处理器，且这种需求还在持续上升。此需求推动了电源结构的变化，而这种变化反过来又推动了工程师对交换式电源各方面进行精确测量与分析的需求。内置功率测量软体的数位萤光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope；DPO）可以自动探测和分析电源元件。本文将对此种仪器予以说明。

电源运行面临的挑战

从理论上说，每一种电源的运行都应遵循设计此电源时所采用的数学模型。然而，在现实世界中，元件总是有缺陷的，负载会出现波动；室电回路可能是失真的、环境改变会影响性能。

为确保电源能够长时、高效地运行，需要对电源进行设计和测试，以因应可能发生的情况。为了获得更高的功效，应减少切换装置和磁性元件的损耗，并避免由饱和电压引起的线圈和变压器故障。为承受变化负载，控制回路应能快速回应。在网路环境中，为确保互用性，电源输出应符合相应标准和运行列表的需求。

简言之，电源应具备占用空间小、低的热损耗、低成本的特点，并且要符合EMI/EMC日益严格的标准。只有极为严格的测量方法才能帮助工程师达成这些目标。现在，设计者可以从操作简便、性能可靠的测量与分析工具中获益，这些工具可以帮助他们查找和鉴定电源供应器的问题。

整合型工具

过去，电源运行状态的鉴定方法是透过数位万用电表测出静态电流和电压，然后用计算器或电脑进行繁杂的计算。现在，工程师们可以透过示波器来简化功率的测量与分析过程。内置功率测量与分析软体的示波器是一种「整合型」的工具，用于进行全面的功率测量，其优势远远大于其他测量方案。

不仅是交换式电源的测量可使用数位萤光示波器，该仪器亦广泛用于其他领域，如：电子整流器、汽车工业、消费类电子产品和工业产品。本文将集中讨论交换式电源（SMPS）的测量。

主要的SMPS测量

电源测量可以分为三大类：功率装置测量、电磁测量和输入/输出分析。 (图一)为SMPS电路的简化图，其中的符号表示不同的元件。

《图一 SMPS电路的简化图》

功率装置的测量与分析

切换损耗

交换式电源的中心是一个切换元件，通常为一个MOSFET、BJT或IGBT。该元件内部高速的「开/关」切换是电源的工作原理。这种频繁切换导致了交换式电源的损耗。

切换装置的损耗包括三个主要部分：开启损耗、关闭损耗和传导损耗。 (图二)为一个典型切换回圈的示意图。图中Vds为通过MOSFET泄源的电压，Id为MOSFET泄电流，Pds为通过MOSFET时的功率损耗。 t1至t2的损耗为开启损耗，t2至t3为传导损耗，t3至t4为关闭损耗。

工程师必须准确理解每一个元件，才能优化电源设计。进行切换损耗测量可以得出每个切换回圈的损耗值。工程师在测量切换损耗时所面临的一些相关问题是：分析负载动态变化时的切换损耗（为了得出峰值功耗周期）、计算非周期性切换回圈的功耗（例如：主动式PFC电路） ，以及将这些测量方法扩展到各式各样的拓扑结构中（主动式PFC、推拉式、反激式等）。功率测量软体能够透过特定功能和配置选项对这些元件进行分析。(图三)为切换损耗测量中一个典型的结果视窗。

《图二 典型切换循环的示意图》

SOA

以电压对电流的形式绘制切换装置安全工作区（Safe Operating Area；SOA）的测量图，以此描述装置的工作区域。就电源可能会遇到的各种工作条件绘制的SOA图表，通常很有用处。功率测量软体为此图表提供了「一键式」解决方案以及一个SOA叠加工具。利用此工具可以将多个图表叠加起来，进而形成一张有切换装置在各种工作条件下的瞬态图。通常，SOA遮罩测试可以让检验切换装置的安全工作区。 SOA图表可以用线性或对数刻度进行绘制。

调变分析

控制回路的稳定性是电源可靠运行的关键所在。要描绘控制回路的特​​性曲线，设计者需要根据设计图绘制出工作回圈、脉冲宽度、频率或周期的变化，并具相化地表现出电源开启时，或主动式功率因数校正电路的线路电压发生变化时，控制回路的回应情况。这些图表可以迅速揭示出隐藏在SMPS中的问题，并从闸极驱动信号中捕获任何可能导致控制回路不稳定的故障。

动态ON电阻（处于ON状态下切换装置的电阻）、di/dt（切换过程中电流的变化率）和dv/dt（切换过程中电压的变化率）是设计者进行分析时使用的一些其他测量方法。

电磁的测量与分析

电源中的线圈具有能量储存、过滤或变压等作用。设计者需要监控该装置在运行条件下的状态。 SMPS电路中的线圈和变压器同样受控于切换装置的相同切换频率。为确保电源运行稳定，工程师应对线圈、磁损耗和磁性（B-H分析）进行一些关键测量。

《图三 切换损耗测量中一个典型的结果窗口》

线圈

市场上有多种不同类型的线圈测量工具。过去，测量线圈的方法是使线圈承受一种已知的激发（刺激）信号。然而，在现实世界中，电源承受的信号是一种高电压、强电流的矩形波。因此，大多数电源设计者更愿意透过观察线圈在电源动态变化环境中的状态，来获得更加真实的图片。

有了示波器，测量线圈就像探测两端电压和通过磁性元件的电流一样简单，只需单击功率测量软体中的「运行」按钮即可。

电池损耗

电磁损耗会影响电源的功效、可靠性和热性能。与线圈的测量类似，示波器也可以对单绕组线圈、多绕组线圈和变压器的磁损耗进行「一键式」测量。

《图四 B-H分析》

电磁特性（B-H分析）

描述电磁元件在SMPS中的运行区域是决定电源稳定性的必要因素。透过电磁测量，可以清楚地看到电源中磁性元件的磁运行点。这种测量有助于分析与负载变化相对的运行点的移动情况，以及元件中的磁饱和情况。包括：

《图五 输入与输出端的分析》

输入/输出端的分析

接着来看一看电源输入/输出端的测量。交换式电源是大型网路的一部分，为来源提供非线性负载，进而在输入电流波形上产生谐波。因此，设计者不得不在输入阶段进行大量的功率品质测量，其中包括功率测量（如实功率、虚功率、功率因数、峰值因数、总谐波失真）以及标准相容性测试（如符合EN61000-3- 2、EN61000-3-2 AM14的标准）。

在输出端，涟波和杂讯是设计者需重点考虑的两个因素。示波器和功率测量软体自动进行波动测量，以区分由室电产生的涟波和由切换产生的涟波，从而减少了其他测量方法所需的手动设置。

整合型线上测量工具提高了设计者的生产效率

在设计者对性能和时间的需求与日俱增的情况下，功率测量软体将示波器变成了一种高度专业化的功率测量与分析工具。这些整合型线上测量工具拥有最高效、最完整的功能，提供了准确、​​可再现及可靠的测量方法，能够更精确、更深入地窥探电源的内部设计，因此也提高了设计者的生产效率。

（作者为Tektronix太克产品行销经理）