電源需求的變化推動了切換電源系統的結構體系隨著變化，因此能夠測量和分析下一代切換式電源（SMPS）的功耗至關重要。為了支援更高的資料速度及GHz等級處理器的新型電源，需要更高的電流和更低的電壓，在效率、功率密度、可靠性和成本方面對電源設計人員形成新的壓力。為滿足這些需求，設計人員正在採用新的結構，其中包括同步整流器、主動式功率因數校正和更高的切換頻率。這些技術也帶來了新的挑戰，如切換裝置上的高功耗、溫度上升和EMI/EMC過高等影響。

瞭解這些影響的一個關鍵參數是在切換過程中發生的功率損耗。在從「off」狀態轉換到「on」狀態的過程中，電源會發生更高的功率損耗。切換裝置處於「on」或「off」狀態時的功率損耗較低，因為經過裝置的電流或經過裝置的電壓相當小。

與切換裝置有關的電感器和變壓器會隔離輸出電壓，並緩和負載電流。這些電感器和變壓器還受到切換頻率的影響，會導致功耗的發生，偶爾會由於飽和而發生故障。

由於切換電源中消耗的功率決定了電源整體效率及熱量效應，因此測量切換裝置及電感器和變壓器上的功率損耗具有非常重要的意義，特別是在指出功率效率和溫度上升方面。因此，工程師需要測量和分析裝置能夠在變化的負載條件下，迅速精確地測量並分析暫態功率損耗。

需要精確測量和分析不同裝置暫態功率損耗的設計人員面臨的挑戰如下：

《圖一　DPOPWR功率測量和分析軟體在數位螢光示波器（DPOs）上運行》

目前，市場上已經出現了完善的功率分析軟體，這種軟體在最新一代數位螢光示波器上運作，如(圖一)，與示波器使用者介面擁有共同的感觀，提供了直觀的導航能力和簡便易用性。這種功率測量和分析應用軟體可以幫助切換式電源設計人員在切換裝置和電磁元件上精確執行功率損耗分析，並執行詳細的輸入/輸出分析。這些軟體的特點包括：

《圖二　簡化的切換式電源電路圖》

本文將介紹如何使用配有相應功率測量軟體的數位螢光示波器（DPO），對切換式電源應用中的主要參數進行必要的測量和分析。並說明如何使用這種功率測量和分析軟體，以解決上述之挑戰。

《圖三　電壓信號和電流信號的傳輸延遲》

精確測量功率損耗的測試設定

(圖二)是切換式電源簡化的電路圖。由40kHz時脈驅動的金屬氧化半導體場效電晶體（MOSFET）控制著電流。圖二中的MOSFET沒有連接到AC主接地或電路輸出接地。因此，使用示波器進行簡單的參考接地電壓測量是不可能的，因為把探棒的地線連接到任何MOSFET端子上都會使通過示波器接地的該點短路。

進行差動測量是測量MOSFET電壓波形的最佳途徑。透過差動測量，可以測量洩極到源極電壓 （VDS），其可能會位於幾十伏到幾百伏的電壓頂部，具體電壓取決於電源範圍。

有幾種方法可以測量VDS：

為測量經過MOSFET的電流，使用者先夾上電流探棒，然後微調測量系統。許多差動探棒擁有內置DC偏置微調器。關閉被測裝置，待示波器和探棒充分「預熱」後，示波器可用來測量電壓和電流波形的平均值，並使用實際測量中將用到的靈敏度設定。不存在信號時，微調器把每個波形的平均值歸零到0V，也降低了測量系統中靜止電壓和電流導致的測量誤差。

《圖四　圖二所示的信號在自動偏移校正操作後的結果》

校正電壓探棒和電流探棒傳輸延遲引起的錯誤

在切換式電源中進行任何功率損耗測量前，非常重要的一點是同步電壓信號和電流信號，消除傳輸延遲的過程稱為「偏移校正」。傳統方法要求計算電壓信號和電流信號之間的偏移，然後使用示波器的偏移校正範圍手動調節偏移。但是，這種方法耗時非常長。

於是，透過使用配備偏移校正夾具和功率測量軟體的高頻寬數位螢光示波器，便可以簡化這一過程。為校正偏移，差動電壓探棒和電流探棒可以連接到偏移校正夾具的測試點上。偏移校正夾具通過示波器的輔助輸出或校準輸出信號驅動。在需要時，偏移校正夾具也可以透過外部來源驅動。功率分析軟體的偏移校正功能將自動設定示波器，計算探測導致的傳輸延遲。然後，偏移校正功能使用示波器的偏移校正範圍，針對偏移自動進行偏置。現在，測試設定準備就緒，可以進行精確測量。(圖三)和(圖四)說明了偏移校正前和偏移校正後的電流信號和電壓信號。

《圖五　切換裝置開機過程中的最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗》

計算非週期切換信號上的功率損耗

如果射極或洩極接地，那麼測量動態切換參數非常簡單。但是，在浮動電壓下，必須測量差動電壓。為精確檢定和測量差動切換信號，需要一個差動探棒。霍爾效應電流探棒允許在不中斷電路的情況下，察看流經切換裝置的電流。可以使用功率分析軟體的自動偏移校正功能，消除探棒引起的傳輸延遲。

軟體中的「切換損耗」功能自動計算功率波形，透過測量切換裝置的最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，取得所需資料。然後，這些資料表示為接通損耗、斷開損耗和功率損耗，如(圖五)所示。這為分析裝置上的功耗提供了有用的資料。知道開機和關機的功率損耗後，使用者可以調節電壓和電流轉換，降低功率損耗。

在負載變化期間，切換電源的控制迴路會改變切換頻率，驅動輸出負載。(圖六)顯示了切換負載時的功率波形。注意，在負載變化時，切換裝置上的功率損耗也會變化。得到的功率波形具有非週期特點。

分析非週期功率波形可能是一件繁瑣的任務。但是，功率分析軟體的高級測量功能會自動計算最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，提供與切換裝置有關的更多資訊。

《圖六　在負載變化期間的最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗》

在負載動態變化時分析功率損耗

在實際環境中，電源一直面臨著動態負載。圖六顯示了切換時發生的功率損耗在負載變化期間也會變化。捕獲整個負載變化事件、檢定切換損耗至關重要，以保證其不會達到裝置極限。

目前，大多數設計人員使用擁有深度記憶體（2Mbyte）和高取樣速率的示波器，以要求的解析度來捕獲事件。但是，這種方法帶來了一個挑戰，需要從切換損耗點分析數量龐大的資料。功率分析軟體的HiPower Finder消除了分析深度記憶體資料的挑戰。(圖七)是典型結果，(圖八)則更進一步顯示了採集的資料中的切換事件數量，以及最大切換損耗和最小切換損耗。然後，透過輸入感興趣的某個範圍，可以察看希望的切換損耗點。使用者只需在範圍內選擇感興趣的點，然後讓HiPower Finder在深度記憶體資料中定位這個點。游標將連接請求的區域。在定位點時，可以使用軟體，縮放游標位置周圍的區域，更詳細地察看活動情況。這與前面提到的切換損耗功能相結合，可以迅速高效地分析切換裝置的功耗。

《圖七　使用HiPower Finder的結果，顯示了負載變化時切換裝置上的功率波形》

計算電磁元件的功率損耗

降低功耗的另一種方式來自磁芯領域。從典型的AC/DC和DC/DC電路圖中，電感器和變壓器也會消耗功率，進而影響功率及效率，導致溫度上升。

一般來說，該狀況會使用LCR儀表測試電感器，LCR儀表會生成正弦波測試信號。在切換式電源中，電感器會傳送高電壓、高電流切換信號，這些信號不是正弦曲線。結果，電源設計人員必需監測實地電源中的電感器或變壓器行為。使用LCR儀表進行測試可能並不能反映實際環境情況。

監測磁芯行為的最有效方法是使用B-H曲線，它會迅速顯示電源中的電感器行為。功率分析軟體可以在示波器上快速執行B-H分析，而不需昂貴的專用工具。

電感器和變壓器在電源開機過程中，及在穩定狀態下擁有不同的行為。在過去，為了察看和分析B-H特點，設計人員必須採集信號，在PC上進一步進行分析。透過示波器軟體，現在可以在示波器軟體上直接執行B-H分析，察看暫態電感器行為，如(圖九)所示。

這種電磁分析功能還可在實際電源環境中自動測量功率損耗和電感值。為推導出電感器或變壓器上的磁損耗，使用者只需測量主磁芯和次磁芯的功率損耗。這些結果的差異在於磁芯上的功率損耗。此外，在無負載條件下，主磁芯上的功率損耗是次磁芯上的總功率損耗，包括磁芯損耗。這些測量可以顯示與功耗區有關的資訊。

《圖八　使用HiPower Finder和示波器縮放，進一步進行分析》

《圖九　採集波形的瞬間B-H圖，顯示游標鏈結》

總結

本文中介紹了功率測量和分析軟體的主要特點，包括能夠測量切換裝置上的功率損耗、HiPower Finder功能和B-H分析，為在切換式電源上進行快速測量提供了適當工具。在使用數位螢光示波器時，該軟體允許使用者迅速定位感興趣的功耗區域，在動態情況下察看功耗的行為特點。

《圖十　電感測量》

（作者為Tektronix太克科技示波器歐洲市場經理）

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