開關(guān)功率器件的測試

1、 力科示波器基礎(chǔ)應(yīng)用系列之六開關(guān)功率器件的測試美國力科公司概述盡管大多數(shù)工程師設(shè)計(jì)或測試的產(chǎn)品都非功率器件,但想必幾乎每位工程師都碰到過需要驗(yàn)證產(chǎn)品電源部件的質(zhì)量。這篇技術(shù)文章就功率器件設(shè)計(jì)問題和電源器件的黑盒測試問題給出一些測試建議。討論的內(nèi)容包括開關(guān)電源隨負(fù)載或傳輸線變化的響應(yīng),驗(yàn)證功率器件的SOA(安全工作區(qū)等?，F(xiàn)今電子行業(yè)所使用的電源絕大部分都是開關(guān)電源。開關(guān)電源中的輸出功率是依靠一系列的門驅(qū)動(dòng)脈沖來控制的,當(dāng)負(fù)載增大需要更多的功率輸出時(shí),控制輸出電壓的反饋回路會(huì)調(diào)整門驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度(脈沖寬度變寬;相反,當(dāng)負(fù)載減小,脈沖寬度會(huì)變窄。為了驗(yàn)證供電設(shè)備的性能,工程師會(huì)做一系列的測試,主要包

2、括安全工作區(qū)測試(SOA,功率損耗,上端柵極測量,動(dòng)態(tài)阻抗分析,控制環(huán)路響應(yīng),電源輸出紋波,線電流諧波,功率因數(shù),實(shí)際/視在功率等等。測量電源隨負(fù)載變化的響應(yīng)不論是電源設(shè)計(jì)工程師還是在他們的產(chǎn)品中使用電源部件的工程師,他們關(guān)心的首要問題就是,電源跟隨負(fù)載變化的響應(yīng)情況如何?圖1中顯示的是當(dāng)負(fù)載減小時(shí)電源性能變化的分析,這種情況和增加負(fù)載時(shí)是類似的。右下角的時(shí)基標(biāo)簽顯示當(dāng)前的時(shí)基范圍是1ms/division,所以屏幕顯示的信號(hào)總時(shí)間長度是10ms,采樣率是1.0 GS/s,對于開關(guān)電源信號(hào)來說這種采樣率已經(jīng)足夠了,屏幕顯示的采樣點(diǎn)數(shù)量是10MSamples(標(biāo)簽顯示“10MS”。 圖 1: 最

3、上柵格捕獲了10ms門驅(qū)動(dòng)脈沖波形。第二個(gè)波形顯示對于門驅(qū)動(dòng)脈沖所有脈寬的跟蹤值。第三和第四個(gè)波形是對于門驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)在不同負(fù)載狀態(tài)下的放大波形 圖1中最上面柵格顯示的是示波器捕獲的門驅(qū)動(dòng)脈沖,負(fù)載變化前的時(shí)間是1ms,變化后的時(shí)間大概是9ms。柵格下面黃色的小三角標(biāo)識(shí),指示的是觸發(fā)位置。在觸發(fā)位置前和觸發(fā)位置后大概半個(gè)柵格的內(nèi)置,有兩部分高亮的波形,其中紅色高亮的部分的放大波形在第三個(gè)柵格中顯示,紫色高亮的波形在底部柵格顯示。這兩個(gè)放大的波形顯示的是負(fù)載變化之前(紅色和負(fù)載變化大約500us之后(紫色的門驅(qū)動(dòng)脈沖寬度。放大的波形中,我們用肉眼即可觀察到負(fù)載大時(shí)電源輸出更多功率(脈沖寬度更寬,

4、負(fù)載減小時(shí)輸出功率更小(脈沖寬度減小。以上的討論是基于肉眼觀察得出的,電源輸出功率對于負(fù)載變化的響應(yīng)可以從圖1中的第二條藍(lán)色曲線更深入的分析。這條曲線是對于門級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度值的跟蹤曲線。數(shù)字示波器最擅長顯示基于時(shí)間的一系列數(shù)值,這些數(shù)值不一定必須是電壓vs時(shí)間或者電流vs時(shí)間。在上面的電源測試案例中,工程師其實(shí)最關(guān)心的是:“電源的控制回路是如何響應(yīng)外接負(fù)載的變化的?”基于此,藍(lán)色的跟蹤曲線更能夠說明問題。剛開始的1ms時(shí)間內(nèi),門驅(qū)動(dòng)脈沖寬度較大,隨后由于負(fù)載變化,脈沖寬度急劇減小,然后又增大出現(xiàn)一個(gè)小的尖峰,接著回落一些,隨后緩慢增大,而后穩(wěn)定于新負(fù)載值。電源設(shè)計(jì)工程師可以使用數(shù)字示波器的這一

5、測試功能,比如,還可以跟蹤脈沖邊沿的下降時(shí)間、波形最小值等等,工程師如果想要對控制回路的響應(yīng)特性進(jìn)行調(diào)試,可以先將這一波形保存下來,然后重新改進(jìn)電源控制回路設(shè)計(jì),然后再重復(fù)進(jìn)行測量,將兩次的測量結(jié)果做比較,驗(yàn)證調(diào)試的效果。必要的時(shí)候還可以將兩條跟蹤曲線相減,可以更直觀得看到差別。數(shù)字示波器的這一功能,能夠?qū)㈤_關(guān)電源控制回路的階躍負(fù)載變化響應(yīng)變得可視化,并進(jìn)行精確測量,驗(yàn)證電源特性。測量電源安全工作區(qū)(SOA不管是電源的設(shè)計(jì)者還是將電源器件集成到產(chǎn)品中的工程師,都需要保證電源在不同的工況下能夠工作在安全區(qū)內(nèi)。另外,也要求電源不會(huì)輸出過高的電壓/電流脈沖。工程師還需要確定緩沖二極管可以正常工作。測

6、量SOA時(shí),示波器的一個(gè)通道測量開關(guān)電源器件的電壓值,另一個(gè)通道測試線路流過的電流。然后根據(jù)捕獲的電壓vs時(shí)間波形和電流vs時(shí)間波形,繪出電壓vs電流的XY圖。注意到圖2中時(shí)基標(biāo)簽標(biāo)明當(dāng)前采集時(shí)間是2 msec/div,采樣率100 MS/s,總的采樣點(diǎn)為2 MS (megasamples。 圖2:上圖中,黃色曲線為電壓vs時(shí)間。藍(lán)色為電流曲線。XY圖的橫軸為電壓值,縱軸為電流值進(jìn)行SOA測試時(shí),“不安全”的部分位于XY圖中右上角的采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)電壓值和電流值都很高。使用力科示波器進(jìn)行SOA測試時(shí),用戶可以在XY圖上放置一個(gè)游標(biāo),將游標(biāo)移至感興趣的采樣點(diǎn)位置,屏幕右下角將會(huì)顯示游標(biāo)位置的電

7、壓和電流vs時(shí)間的值。這一功能對用戶進(jìn)行SOA測試非常方便。儀器剛開始采集到的SOA不安全采樣點(diǎn)可能意味著浪涌電流的問題,或者之后遇到的不安全采樣點(diǎn)問題,可能意味著對于負(fù)載突然變化的階躍響應(yīng)問題。其它測量所有這些測量案例都基于測量功率器件的電壓和電流值。其中,最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是使用最合適的探頭進(jìn)行安全準(zhǔn)確的測量。力科提供了大量可選的解決方案,電流探頭(最大500A和電壓探頭(最大20kV。在一些應(yīng)用場合,需要對浮地電壓進(jìn)行測量,可以選用ADP300 (20MHz帶寬和ADP305(100MHz的高壓差分探頭,最大測量1.4kV差分電壓值。在其他一些測試場合,工程師往往需要測試大電壓上疊加的小信號(hào)值,在這些案例中可以使用前端差分放大器。力科DA1855A提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的100,000:1 CMRR和超快的過載恢復(fù)能力。總結(jié)設(shè)計(jì)功率器件需