电源测量中示波器带宽和采样率的选择

2015-05-14 09:46:42   来源:ednchina   

关键字: 电源测量  示波器带宽  采样率

1  电源测量中带宽的选择

示波器带宽有四个相关名词:模拟带宽、数字带宽,系统带宽和触发带宽。数字带宽等于采样率的一半,实用意义不大。触发带宽是示波器厂商“硬”造出来的一个概念,是指示波器触发电路可以正常工作的最大输入正弦信号的频率。对于高端示波器,触发电路在输入信号频率超过一定大小就不能工作了!  系统带宽是指示波器前端放大器和探头、测试夹具等组成的测量系统的带宽。一般不特别说明,带宽即是指示波器的模拟带宽,也就是示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点。示波器的放大器是低通滤波器,其幅频特性曲线如图1所示,带宽就是输入电压幅值降低到输入
-3dB(70.7%)时的截止频率点。
 

pic1.jpg
 
带宽选择的理论依据,用一句话来概括就是带要能覆盖被测信号能量的99%以上。我们知道,任何信号都可以分解为无数次谐波的叠加,但是被测信号分解到多少次谐波之后能量会衰减到只剩下1%呢? 这个答案不直观,因此带宽的选择是示波器行业的销售人员几乎每天都会遇到的问题。这个问题有时侯很严肃,有时侯很滑稽。其实,带宽的选择是一个相对的结果,它取决于被测信号的类型和测量的准确度。最关键的因素是上升时间。上升时间越小,上升沿越陡,被测信号的高次谐波含量越丰富,需要的带宽越大。这里面就需要一些数学上的推导来确定具体上升时间和信号能量之间的量化关系。业内比较认可的两个带宽选择的原则是:
 

·  当被测信号是串行数据时,串行数据的上升时间如果大于20% UI(一个比特位的时间长度),那么示波器带宽只要达到被测信号比特率的1.8倍就能覆盖信号能量的99.9%。 如果上升时间大于30% UI,只要1.2倍信号的比特率就足够了。现实电路中,串行数据的上升时间绝大多数在接收端时都大于30%了。因此,对于3Gbps的SATA信号,在经过夹具之后用4GHz示波器就可以。 大家可以用4GHz、6GHz、13GHz测试后比较一下看看。

·  电源不是串行信号,上面的规则并不适用。 在很久很久以前,业内一就直流传的带宽选择依据是“3到5倍”法则,即带宽是被测信号频率的“3到5倍”。其实这里面没有强调上升时间,这个法则不够具有普适性。SI之父Howard Johnson以其个人权威给出一个从示波器上升时间来选择带宽的原则,但他没有给出详细的推导。

 

Howard认为,当示波器上升时间小于被测信号上升时间的1/3时,测量结果的误差小于5%。示波器上升时间约等于0.35/示波器带宽。 这里面0.35是基于理想的低通滤波器模型RC电路推导的,实际可能是0.45,0.5不等。因此,我们可以根据信号的上升时间推导出需要的示波器上升时间,再根据示波器手册或0.35的关系式选择示波器带宽。

 

关于带宽的选择,业内充斥着不专业,不负责任的言论。这是值得警惕的。

 

让我们回到问题本身,关于开关电源的带宽选择,要看具体测量需求。开关电源需要测量的信号可能包括:

 

·  测量开关管(主流是MOSFET)的带宽选择

电源调试中,要反复测量开关管的漏源极电源Vds,驱动电压Vgs,漏源极电流Ids等,以确定上下开关管的死区时间以防止开关管“直通”导致电源炸机,要测量驱动信号波形,该波形的上升沿缓慢,开关管损耗会更大,上升沿陡,开关管损耗会更小,但漏源极过冲会更大。 最重要的测量是确保Vds的电压峰峰值在各种动态条件下不会超个开关管Vds的最大限值。这些动态条件包括负载从空载到满载,满载到空载的跳变; 负载在50%-75%-50%,25%-50%-25%之间的来回连续的跳变,以及开机软启动过程Vds的峰值电压。这些动态条件下准确测量Vds的影响因素众多,在此不一一细述。 这个测试项目在电源工程师心中的重要性我深以为然。这个值测量不准确,可能会导致开关管容易被损坏,或者是开关管的耐压值超过实际需要,影响到成本。开关管Vds额定值越大,价格越贵。 因此,很多电源工程师纠结在这里。

 

开关管的上升时间取决于开关管具体型号。 一般功率小的电源开关频率可以达到1MHz甚至更大,对应的开关管的上升时间越小。功率大的电源开关管开关频率小,只有100KHz甚至更小,上升时间大。但是多数开关管上升时间达到了100ns。即使开关管上升时间只有30ns,1/3的上升时间也有10ns,而100MHz的示波器的上升时间只有3.5ns。因此,用100MHz带宽示波器测量开关电源的开关管是足够的。其实,很少有开关管上升时间只有30ns的,限制带宽到20MHz就足够了。但这点曾经受到有些电源工程师的质疑,他认为对于Vds的高压信号,要看尖封毛刺局部的上升时间,研究其包含的能量。

 

这里要特别说明的是,测量开关管特别是半桥或全桥电路的上半桥,因为是不对地的悬浮高压,一般要用高压差分探头测量。目前高压差分探和电流探头90%以上都是第三方OEM的,最大带宽只有100MHz。虽然标称带宽是100MHz,但往往不是和示波器进行一体化设计、校准的,因此,和100MHz示波器组成的系统带宽只有70MHz。但如果用200MHz示波器,和100MHz的探头组成的系统带宽则可以达到100MHz,如果您认为Vds的尖峰毛刺的信号能量是必须用100MHz测量的话。

 

·  测量电源系统的监控部分电路的带宽选择

有些复杂的电源系统,有很多电源模块组成,需要使用DSP或者Power PC来作为控制核心。有一些外设存储单元,键盘监控单元等。这将涉及到时钟信号,CAN控制信号,I2C,SPI等信号的测量。这些信号的速率除时钟频率外都不高。如果为了测量DSP时钟信号,最好要选择500MHz带宽甚至1GHz,但电源工程师很少对这个时钟信号进行认真地测量。 其它信号带宽都只要20MHz就可以了。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0514/article_11763.html
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