電源工程師在進行效率、功率需求、可靠性和成本設計時，需要不斷提高資料傳輸率以及擁有低電壓高電流的千兆赫（GHz）級別處理器，且這種需求還在持續上升。此需求推動了電源結構的變化，而這種變化反過來又推動了工程師對交換式電源各方面進行精確測量與分析的需求。內置功率測量軟體的數位螢光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope；DPO）可以自動探測和分析電源元件。本文將對此種儀器予以說明。

電源運行面臨的挑戰

從理論上說，每一種電源的運行都應遵循設計此電源時所採用的數學模型。然而，在現實世界中，元件總是有缺陷的，負載會出現波動；室電迴路可能是失真的、環境改變會影響性能。

為確保電源能夠長時、高效地運行，需要對電源進行設計和測試，以因應可能發生的情況。為了獲得更高的功效，應減少切換裝置和磁性元件的損耗，並避免由飽和電壓引起的線圈和變壓器故障。為承受變化負載，控制迴路應能快速回應。在網路環境中，為確保互用性，電源輸出應符合相應標準和運行列表的需求。

簡言之，電源應具備佔用空間小、低的熱損耗、低成本的特點，並且要符合EMI/EMC日益嚴格的標準。只有極為嚴格的測量方法才能幫助工程師達成這些目標。現在，設計者可以從操作簡便、性能可靠的測量與分析工具中獲益，這些工具可以幫助他們查找和鑑定電源供應器的問題。

整合型工具

過去，電源運行狀態的鑑定方法是透過數位萬用電表測出靜態電流和電壓，然後用計算器或電腦進行繁雜的計算。現在，工程師們可以透過示波器來簡化功率的測量與分析過程。內置功率測量與分析軟體的示波器是一種「整合型」的工具，用於進行全面的功率測量，其優勢遠遠大於其他測量方案。

不僅是交換式電源的測量可使用數位螢光示波器，該儀器亦廣泛用於其他領域，如：電子整流器、汽車工業、消費類電子產品和工業產品。本文將集中討論交換式電源（SMPS）的測量。

主要的SMPS測量

電源測量可以分為三大類：功率裝置測量、電磁測量和輸入/輸出分析。(圖一)為SMPS電路的簡化圖，其中的符號表示不同的元件。

《圖一　SMPS電路的簡化圖》

功率裝置的測量與分析

切換損耗

交換式電源的中心是一個切換元件，通常為一個MOSFET、BJT或IGBT。該元件內部高速的「開/關」切換是電源的工作原理。這種頻繁切換導致了交換式電源的損耗。

切換裝置的損耗包括三個主要部分：開啟損耗、關閉損耗和傳導損耗。(圖二)為一個典型切換迴圈的示意圖。圖中Vds為通過MOSFET洩源的電壓，Id為MOSFET洩電流，Pds為通過MOSFET時的功率損耗。t1至t2的損耗為開啟損耗，t2至t3為傳導損耗，t3至t4為關閉損耗。

工程師必須準確理解每一個元件，才能優化電源設計。進行切換損耗測量可以得出每個切換迴圈的損耗值。工程師在測量切換損耗時所面臨的一些相關問題是：分析負載動態變化時的切換損耗（為了得出峰值功耗週期）、計算非週期性切換迴圈的功耗（例如：主動式PFC電路），以及將這些測量方法擴展到各式各樣的拓撲結構中（主動式PFC、推拉式、反激式等）。功率測量軟體能夠透過特定功能和配置選項對這些元件進行分析。(圖三)為切換損耗測量中一個典型的結果視窗。

《圖二　典型切換迴圈的示意圖》

SOA

以電壓對電流的形式繪製切換裝置安全工作區（Safe Operating Area；SOA）的測量圖，以此描述裝置的工作區域。就電源可能會遇到的各種工作條件繪製的SOA圖表，通常很有用處。功率測量軟體為此圖表提供了「一鍵式」解決方案以及一個SOA疊加工具。利用此工具可以將多個圖表疊加起來，進而形成一張有切換裝置在各種工作條件下的瞬態圖。通常，SOA遮罩測試可以讓檢驗切換裝置的安全工作區。SOA圖表可以用線性或對數刻度進行繪製。

調變分析

控制迴路的穩定性是電源可靠運行的關鍵所在。要描繪控制迴路的特性曲線，設計者需要根據設計圖繪製出工作迴圈、脈衝寬度、頻率或週期的變化，並具相化地表現出電源開啟時，或主動式功率因數校正電路的線路電壓發生變化時，控制迴路的回應情況。這些圖表可以迅速揭示出隱藏在SMPS中的問題，並從閘極驅動信號中捕獲任何可能導致控制迴路不穩定的故障。

動態ON電阻（處於ON狀態下切換裝置的電阻）、di/dt（切換過程中電流的變化率）和dv/dt（切換過程中電壓的變化率）是設計者進行分析時使用的一些其他測量方法。

電磁的測量與分析

電源中的線圈具有能量儲存、過濾或變壓等作用。設計者需要監控該裝置在運行條件下的狀態。SMPS電路中的線圈和變壓器同樣受控於切換裝置的相同切換頻率。為確保電源運行穩定，工程師應對線圈、磁損耗和磁性（B-H分析）進行一些關鍵測量。

《圖三　切換損耗測量中一個典型的結果視窗》

線圈

市場上有多種不同類型的線圈測量工具。過去，測量線圈的方法是使線圈承受一種已知的激發（刺激）信號。然而，在現實世界中，電源承受的信號是一種高電壓、強電流的矩形波。因此，大多數電源設計者更願意透過觀察線圈在電源動態變化環境中的狀態，來獲得更加真實的圖片。

有了示波器，測量線圈就像探測兩端電壓和通過磁性元件的電流一樣簡單，只需單擊功率測量軟體中的「運行」按鈕即可。

電磁損耗

電磁損耗會影響電源的功效、可靠性和熱性能。與線圈的測量類似，示波器也可以對單繞組線圈、多繞組線圈和變壓器的磁損耗進行「一鍵式」測量。

《圖四　B-H分析》

電磁特性（B-H分析）

描述電磁元件在SMPS中的運行區域是決定電源穩定性的必要因素。透過電磁測量，可以清楚地看到電源中磁性元件的磁運行點。這種測量有助於分析與負載變化相對的運行點的移動情況，以及元件中的磁飽和情況。包括：

《圖五　輸入與輸出端的分析》

輸入/輸出端的分析

接著來看一看電源輸入/輸出端的測量。交換式電源是大型網路的一部分，為來源提供非線性負載，進而在輸入電流波形上產生諧波。因此，設計者不得不在輸入階段進行大量的功率品質測量，其中包括功率測量（如實功率、虛功率、功率因數、峰值因數、總諧波失真）以及標準相容性測試（如符合EN61000-3-2、EN61000-3-2 AM14的標準）。

在輸出端，漣波和雜訊是設計者需重點考慮的兩個因素。示波器和功率測量軟體自動進行波動測量，以區分由室電產生的漣波和由切換產生的漣波，從而減少了其他測量方法所需的手動設置。

整合型線上測量工具提高了設計者的生產效率

在設計者對性能和時間的需求與日俱增的情況下，功率測量軟體將示波器變成了一種高度專業化的功率測量與分析工具。這些整合型線上測量工具擁有最高效、最完整的功能，提供了準確、可再現及可靠的測量方法，能夠更精確、更深入地窺探電源的內部設計，因此也提高了設計者的生產效率。

（作者為Tektronix太克產品行銷經理）