电源测量小贴士,泰克专家支招

2016-09-12 10:09:29来源: 泰克科技

电源测量小贴士,第1篇(共10篇):元器件选择和特性分析

  编者按:电源设计人员的需求正变得越来越高,他们面临着巨大的压力,需要改善效率,降低成本,缩短产品开发周期。电源设计是一项复杂的工作,这一过程有许多校验点。在这组博文中,我们将向您介绍10个设计阶段中每个设计阶段的测试要求,并给出小贴士,让您的测试更高效,让您的生活更轻松。
 
  在任何电源设计中,第一步都要选择元器件。良好的电源设计离不开电源元器件及控制芯片。考虑到所有选项,为最优设计选择适当的电源元器件可能会有点麻烦。缩小范围,找到适当的元器件,本身就非常繁琐。各个制造商的产品技术资料提供了与元器件功能有关的一手资料,但并不能保证在给定设计中提供最优操作。在锁定设计前,必需分析选定元器件在特定应用中的特性,这可以明显节省时间,减少问题。

  某些关键电源元器件,如MOSFETs和IGBTs,应根据关键参数进行选择,如额定电压和电流、开机时间和关闭时间、输入和输出电容、开点状态电阻和闭点状态特点。
 
  制造商产品技术资料最重要的细节之一可能是安全作业区(SOA)图。应采取相应措施,了解在不同电压和电流参数下的这一特点。问题是,制造商提供的大多数SOA图并没有提供完整的画面,因为这些图只在25°C下有效。仅依据这些数据会给实现和设计带来重大风险,特别是热量设计。必需在实际环境中分析部件特点,在这些环境中,电源元器件很少保持在理想的环境温度之下。

  设计的这个阶段没有原型,很难仿真预计的额定电流和电压。解决这个问题的最好方式是使用源测量单元,它可以驱动几十安培的电流,生成可以测量的电压。这有助于为应用获得实际I-V特点。可以使用相同的设备,测量开点状态特点的小的差异,如极阈值电压、增益和开点电阻。同样,对低电流闭点状态测量,如泄漏电流,可以使用仪器,提供高电压,生成可以测量的电流。

  对击穿电压,确保提供的电压是器件工作电压的几倍,以便测量击穿电压。在简单的两端子器件或比较复杂的三四端子晶体管上测量器件电容相对于电压关系时,一定要使用能够测试器件DC工作电压整个范围的电容测量系统。注意,传统LCR仪表会告诉你电容,但不是在整个工作电压中。

  吉时利源测量单元可以作为四合一仪器:电压/电流源、电压/电流表、扫描分析仪、函数发生器,为这类测试提供了完美的解决方案。源表还包括可编程负载,可以测量元器件上的I-V特点,从几µV到3 KV,从几fA到100 A。一个很好的插件是IVy应用,可以从Google Play下载,适用于安卓智能手机或平板电脑,您可以在元器件上无缝执行电压-电压(I-V)特性分析。

  IVy应用可以从Google Play中为安卓设备免费下载,可以方便地检查元器件上的I-V特点。这是一个研讨会链接,我们的专家介绍了怎样分析和验证功率半导体的性能。

  一旦选择元器件,设计出原型,那么需要开机。在这一系列博文的下一篇博文中,我们将考察低压DC电路开机测试,并提供多种小贴士,确保您能够准确地评估设计的性能。
 
电源测量小贴士, Part 2 of 10: 低压DC电路开机测试
 
使用吉时利DMM 7510检查电压和纹波,确保满足规范。

  原型制作是设计中比较激动人心的步骤之一。在这个阶段,在理想情况下,您已经看到设计愿景就要变成现实,如果一切能够照计划进行的话。可能会出现很多问题,如电路板布线、焊点、元器件贴装和寄生电容等,因此在测试原型电源时,最好要审慎。

  这是一种常见作法,但仍需指出的是,应使用数字万用表检查所有输入和输出阶段是否有短路。同样,还要检查电路板上所有关键功率点,确保电路不会非故意短路。应尽可能把低压模拟电路和数字电路隔离成多个子电路,这在发生问题时有助于调试问题及控制损失。

  电路板很可能至少有一个辅助电源。下一步是隔离这个电源,在有负载和没负载的情况下测试输出。这有助于分析电源本身的特性,帮助隔离存在的任何问题。可以使用精密万用表检查电压和纹波,如DMM 7510 (如上图所示),确保所有指标都满足规范。DMM7510的图形界面也可以帮助您在屏幕上观察高频纹波。如果您想进一步了解纹波测量,这里的应用指南为您介绍了详细的测量过程。

  在隔离电源的同时,应检查机载电源供电的所有低压电路。应使用隔离DC电源,如吉时利2280S,为各个低压子电路供电,而不是使用机载电源。这将有助于隔离与各个子电路有关的问题。

  机载电源偶尔有多个输出,您可以使用拥有多条隔离通道的DC电源。可以使用DC电源,同时显示编程设置和实际被测输出。您可以查看DC阶段是否吸收太多的电流。另一个选项是在电源和被测器件之间连接一台DMM,如DMM 7510,密切监测吸收电流和功耗。在这个阶段,您还应根据需要测试每条子电路的待机电流和状态电流。吉时利2280S精密测量电源提供了10 nA分辨率和0.05%精度,可以帮助您在现代高效设计中进行超低电流测试。
 
Keithley 2280电源可以帮助您完成超低电流测试。
 
  最后,如果您需要为被测系统提供精密电压,可以考虑使用4线远程传感台式电源。这种设备可以消除台式电源与被测系统之间的导线中的任何电压下跌产生的影响。
 
  在下一篇博文中,我们将考察高压AC电路开机。
 
电源测量小贴士, Part 3 of 10: 高压AC电路开机测试
 
  本系列博文覆盖了电源测试的全程,在本篇博文中,我们将介绍第一次遇到高电压时进行原型测试的各个步骤。此外,我们将为您推荐完成这些任务所需的最佳仪器。
 
  在第一次开机过程中,我们先把高压阶段与低压阶段隔开。我们建议使用具有限流功能的AC电源。一旦选择了AC电源,先从设计的最低AC电压入手,这是一个关键步骤,有助于减少重大熔断风险,如焊接不良、组装差或PCB设计错误等潜在问题导致的熔断。
 
  现在开始测量AC输入电压和电流。我们建议使用相应等级的差分探头和电流探头。如果您使用钳夹电流探头测量未负载系统吸收的低AC输入电流,实际上您会提高探头看到的电流。为此,把线路导体简单地多次循环通过钳夹。记住,要把电流读数除以圈数。
 
  现在准备就绪,被测器件即将通电。但在通电前,应在AC输入上使用示波器或功率分析仪,并启用记录功能,确保捕获涌入电流和瞬态事件。我们建议使用PA1000功率分析仪,这是为快速、高效、准确地测量功耗而优化的。这台功率分析仪还提供了涌入电流模式,测试电流涌入期间的峰值。
 
功率分析仪,如PA1000,可以简便地完成AC电路开机测试。

  如果您想记录启动电流,可以使用拥有连续记录功能的功率分析仪。在开机过程中发生灾难性故障时,这有助于保存数据,因此我们强烈推荐这种作法。

  需要更多的洞察力?可以使用DPOPWR示波器软件,其提供了全面功率分析套件,可以帮助您在开机过程中测量和调试输入AC功率参数。
 
这是使用DPOPWR或MSO5000B示波器进行AC功率分析的实例。

  一旦检查了各个项目,现在可以启用低压控制电路,全面了解相关信息。

  敬请关注后续博文,了解检查控制逻辑有关的各个步骤。
 
电源测量小贴士, Part 4 of 10: 数字和模拟控制电路调试
 
  在这篇博文中,我们将向您介绍检查电源设计控制逻辑的基础知识。

  毋庸置疑,这是设计最重要、也是最复杂的部分。在这个阶段,您将执行测试,以便获得正确补偿、电压、定时和频响,具体任务包括:
在开机过程中测量开关器件驱动装置上的调制信号,检验不同负载下开关频率、脉宽和占空比是否正确
通过使用控制环路中的宽带变压器注入扫频信号,检查环路频响
使用频响分析仪,测量电路的增益和相位
 
  在这个时候,必需监测输入电压和输出电路及反馈或控制信号。这有助于确保环路响应(如临界阻尼),而这正是输入电压和输出负载变化期间您所预期的东西。
 
  为检验电路操作,如软启动、短路保护、关断和电流折回,您需要监测输入电压和输出电压及控制信号。
 
  对数控电压,您需要捕获模拟信号、数字信号和串行总线控制信号的时间相关视图。您可以查看系统操作,确保系统正确运行。
 
  对这些任务,一定要考察DPOPWR高级功率测量和分析软件,其把泰克基于Windows的示波器转换成完善的调试和分析工具。这个软件可以为多项测量配备自定义设置。您还可以测量和分析开关器件中的功耗,分析磁性参数,所有这一切都从一次采集中获得。
 
  一旦全面调试设计的控制逻辑,应检查电源阶段的开关特点。在下一篇博文中,我们将介绍怎样检查电源阶段的开关特点。如需进一步了解DPOPWR软件,请参阅:http://www.tek.com/datasheet/dpopwr-datasheet-0。
 
电源测量小贴士, Part 5 of 10: 测试功率阶段开关特点
 
  在这篇博文中,我们将介绍在无负载、标称负载和全负载条件下测试开关特点的各个步骤。

  在开始前,应确保所有开关的启动、关闭、占空比和死区时间都符合预期,如MOSFETs和IGBTs。泰克示波器包括一种高分辨率模式,从根本上提高了垂直分辨率,因此可以使用最高精度计算启动和关闭时间。

  尽管电源的几乎所有组件都会发生能量损耗,但绝大部分损耗发生在开关晶体管从关闭状态转换到打开状态(或反之)的时候。使用所有开关周期的启动损耗和关闭损耗的轨道图(在DPOPWR软件中提供),可以更加全面地了解开关损耗,如下图所示。
 
开关/关闭轨道图。

  这时,要检查所有 VGS 信号的噪声和碰撞。这是一个重要步骤,因为这个端子上任何非预计的毛刺都可能会导致不想要的启动和击穿。为保证不可能出现击穿,应检查同步整流器或H桥接器的死区时间。

  然后,检验门驱动器和相关仪器之间的定时关系,确保其与设计的计算结果相符。

  为安全地测量非参考地电平的信号,我们建议使用相应额定电压的差分探头。一定不要浮动示波器,因为其会导致不好的结果。您可以考虑TDP1000、TDP0500或P6251高压差分探头,具体视应用而定。每种探头都实现了高速宽带采集和测量功能,提供了杰出的电气性能、通用被测器件连接,而且都使用方便。

  毫无疑问,很难测量浮动门信号。我们建议在门驱动器输入上探测信号,这样您可以检验顶部FET与底部FET之间的死区时间。

  在最低电压转换速率上测量电流也可以帮助您最大限度地减少串扰,改善精度。

  如需了解开关损耗和传导损耗测试要点,请参阅本系列博文中的第6篇博文。
 
开关损耗和传导损耗测试, Part 6 of 10
 
  在电源测试系列的本篇博文中,我们将介绍测试电源开关损耗和传导损耗的各个步骤。

  记住,经过电源开关和磁性器件的开关损耗和传导损耗对系统整体损耗有着巨大影响,正因如此,应尽可能精确地使这些损耗达到最小,这一点至关重要。
 
 
MSO5000B示波器测量开关损耗和传导损耗的实例。
 
  首先,记住不要单纯依赖产品技术资料,它们经常会产生误导,特别是在计算开关损耗和传导损耗时。此外,它们没有考虑工作条件和电路寄生信号,也没有提供完善的损耗信息。
 
  在测试时,首先应检查整流器开关,如电路活动和负载时MOSFETs、IGBTs和磁性器件的损耗。由于大多数磁性器件采用定制设计,如开关器件,因此最好在工作状态下测试磁性器件。这一步可以正确分析其特性。
 
MSO5000B上显示的磁性特性分析。

  在测量开关损耗时,我们推荐使用MS05000B示波器,并配备相应的电压探头和电流探头。为实现最好的精度和可重复性,在进行任何测量前应先校正探头时延,为了保证确定周期内结果的准确性,应使用滤波功能和平均功能。
 
  在使用示波器测量开关损耗时,先把电压乘以电流。然后取启动或关闭过程中得到的功率波形的中间值。当然,功率分析软件可以大大简化这个过程,因此我们强烈推荐使用功率分析软件。
 
  为动态测试磁性功率损耗和磁性属性,建议使用我们的DPOPWR软件。这个软件提供了自动计算功能,在电路活动时,可以测量高功率开关上的可重复开关损耗和传导损耗。
 
这是MSO5000B示波器测量的磁性损耗实例。

  在一切就绪后,您可以转向第7篇博文,其将介绍效率和规范测试。
 
检查电源指标: Part 7 of 10
 
  在本篇电源测试博文中,我们将介绍电源指标检查。在这个部分,您要确保设计满足效率标准和其他要求的规范,如线路和负载稳压、纹波、噪声、短路保护、瞬态响应和效率。
 
  首先检查负载稳压。我们建议在设计的输入端子和输出端子上直接使用高精度DMM。然后,从最小值到最大值扫描负载。记住,非常重要的一点是在测试过程中使输入电压保持恒定。现在,记录输出电压相对于负载的任何变化,确定负载稳定。
 
  其次,检查线路稳压。可以使用类似的设置测试线路稳压,其中在恒定负载中测量输出电压,同时从最小值到最大值扫描输入AC电压。这种测试对通用输入电源尤其重要。
 
  第三,检查全负载时的噪声和纹波。对这项任务,我们推荐使用为高分辨率测量优化的示波器或高精度图形采样万用表。示波器一般会提供更高的带宽,而万用表的精度则要更高。
 
图形采样DMM7510可以捕获快速瞬态事件和小纹波。

  吉时利DMM7510图形采样万用表是一个优秀的备选方案。这台仪器有一个18位1 MS/s数字化器,可以捕获快速瞬态信号和小纹波。同时,它可以在5英寸大型触摸屏界面上显示结果。

  在进行规范检查时,一定要使用功率分析仪记录效率,同时扫描所有工作条件下的输入电压和输出负载。我们最新推出的PA3000多通道功率分析仪提供了理想的解决方案,它提供了0.04%精度和10mW待机功率功能,可以从无负载到全负载准确地进行效率和功率测量。下图是AC-DC电源效率测量的典型设置。
 
 
AC-DC电源效率测量设置。

  如果您打算使用示波器测量低电平电压,如纹波,应使探头衰减达到最小(可能时采用1X或2X)。这将在示波器测量中提供最好的信噪比。此外,在线路或负载稳压测试中,永远不要依赖AC电源或电子负载读数,而是应在电源端子上直接使用精密仪器。这将提供更好的测量精度,最大限度地减少输入电缆和输出电缆中的电压暂降。

  最后,如果您打算测量高频噪声和纹波,应使用低电感接地弹簧探头适配器(或类似装置)。标准探头地线可以作为天线,从荧光灯和其他来源中捡拾环境噪声,可能会在读数中产生明显误差。

  在第8篇博文中,我们将讨论电源线一致性测试。
 
电源测量小贴士, Part 8 of 10: 电源线一致性测试
 
  第一台原型应已经能够启动运行。现在应检查设计,确保其满足本地电源线标准。

  在开始测试前,应该指出,大多数AC-DC电源都是为使用AC墙上插座而设计的。因此,它们需要满足严格的功耗和功率质量标准,如IEC 62301待机功率和IEC 61000-3-2电流谐波标准。应一直在设计周期早期执行一致性测试,以帮助您避免未来发生的问题。
 
  在下面的视频中,泰克工程师Seshank Malap介绍了怎样使用泰克功率分析仪测量手机充电器的待机功率,以确保设计满足IEC 62301。必需注意,在测量低的和失真的待机功率时,必需复核连接。一定要确保连接电流并联源侧的电压表通道,从而不会测量经过电压表阻抗的电流。这一步非常关键,因为线序不正确可能会导致明显错误。
 
  连接市电的几乎所有电气设备和电子设备,包括16A及以下的额定输入电流,都必须满足IEC 61000-3-2。在下面的视频中,Seshank演示了使用PA1000功率分析仪及PWRVIEW软件在标准微波炉上执行谐波测试。

  泰克为CE标志、能源之星、IEC待机和谐波标准提供了经济的预一致性测试解决方案。对预算有限的设计团队,PA1000功率分析仪提供了理想的解决方案。这台仪器拥有20 uA电流测量功能,可以测量最低5 mW的待机功率。
 
泰克PA1000功率分析仪

  对一致性测试应用,泰克接续盒是必备工具,它为负载测量和源侧测量提供了两个不同的端子。此外,接续盒使用方便安全,可以获得准确的低功率读数,执行待机功率测试。

  本系列博文共10篇,第9篇将考察EMI调试和预一致性测试。另外,对高效应用的多通道测试,欢迎品鉴我们最新的PA3000功率分析仪。
 
电源测量小贴士, Part 9 of 10: EMI调试和预一致性测试
 
  这一系列博文共10篇,本文是第9篇,将重点考察EMI和RFI 测试。由于测试难度和测试成本,这个阶段经常被忽略。但是,随着设计期限的迫近,忽略这个步骤可能会导致意外事件和延迟。我们强烈推荐在设计早期测试EMC问题,以避免不必要的电路板返工和延期。
 
  因此,您可以利用频谱分析仪和预先确定的EMI一致性测试模板,在去测试机构进行一致性测试之前找到这些讨厌的EMI问题。
 
  泰克RSA306B 频谱分析仪是一个优秀的选项。这种经济的基于USB的仪器提供了实时频谱分析功能,同时可以确定持续时间很短的EMI突发。这台仪器的长记录时间还可以捕获偶发突发。
 
使用RSA306B实时频谱分析仪进行预一致性EMI扫描的实例。

  为了迅速找到EMI来源,我们建议使用混合域示波器(MDO),其中内置频谱分析仪和近场探头。凭借倍受信赖的MDO和示意图,您可以简便地测量频谱峰值,找到根本原因。
 
  在评测MDO时,其他仪器很难望MDO4000C的项背,因为它可以在一台仪器上同时查看设计的时域性能和频域性能。MDO4000C配备强大的触发、搜索和分析工具,可以找到模拟和数字异常事件。通过这台仪器,您可以解码串行总线和波形,随时查看RF频谱。最后,仪器标配的SignalVu-PC软件可以对Wi-Fi和蓝牙无线信号执行全面分析和调试。
 
使用MDO4000C示波器上的同步轨迹和频谱轨迹进行EMI调试的实例。

  如需操作指引及了解怎样执行EMI测试和调试,可以下载实用EMI调试应用指南。

  在这一系列博文的最后一篇博文中,我们将考察设计验证,帮助您面向下一轮设计做好准备。
 

关键字:DC  开机测试  传导  开关损耗

编辑:刘东丽 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/article_2016091226790.html
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