漏極電壓及電流的測(cè)量技巧

　　我們將以12 W 通用輸入恒壓適配器為例進(jìn)行講解，該適配器使用TinySwitch?-III 器件設(shè)計(jì)而成。

　　所需設(shè)備

　　要完成本課程，您需要準(zhǔn)備好一個(gè)功能完備的電源和一組標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備。與電力電子裝置配合使用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備組，應(yīng)包括一個(gè)電流探針。該電流探針通常并不是一件標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，因此其費(fèi)用似乎無(wú)需或難以判斷。不過(guò)，測(cè)量電源中的電流波形對(duì)于查找故障和驗(yàn)證設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，都是非常關(guān)鍵的。因此，使用電流探針可以節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間，極大改進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

　　沒(méi)有電流探針可用時(shí)，您可能會(huì)試著將一個(gè)電阻與源極引腳進(jìn)行串聯(lián)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻壓降來(lái)測(cè)量漏極電流。但是，我們不建議您這樣做，因?yàn)殡娮鑼?huì)調(diào)制控制器地線端，影響器件的正常工作。購(gòu)買電流探針時(shí)必須考慮兩大因素，即所需電流額定值的大小以及需要的是交流探針還是直流探針。選取的電流額定值應(yīng)略大于您要在設(shè)計(jì)中測(cè)量的峰值電流。例如，在RDR-91 所介紹的12 W 設(shè)計(jì)中，次級(jí)側(cè)的峰值電流將大約為4 安培。因此，您可以使用額定

　　峰值電流為50 安培的標(biāo)準(zhǔn)電流探針，來(lái)測(cè)量本設(shè)計(jì)中的大部分電流波形。不過(guò)，在測(cè)量啟動(dòng)時(shí)的峰值浪涌電流或在更高功率的設(shè)計(jì)中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可能需要選擇額定值更高的電流探針，以取得準(zhǔn)確結(jié)果。

　　直流探針與交流探針比較

　　直流電流探針是使用霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)測(cè)量交流及直流電流的有源器件。它們需要使用一個(gè)相匹配的探針放大器，它可以是獨(dú)立單元，但新型示波器通常都是內(nèi)置的。交流電流探針是簡(jiǎn)單的電流變壓器，不需要探針?lè)糯笃鳎鼈儫o(wú)法測(cè)量直流電流的大小。直流電流探針更適合于電力電子裝置，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼮閺V泛的測(cè)量應(yīng)用。例如，直流電流探針可用于測(cè)量和分析負(fù)載，也可用于測(cè)量降壓式轉(zhuǎn)換器等其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感電流。如果您不確定使用直流電流探針會(huì)給自己增加多少額外成本，則可選用交流電流探針，因?yàn)樗捎糜诖蠹s80%的典型電源測(cè)量，其中包括漏極電流波形的測(cè)量。交流電流探針的成本通常只有直流電流探針和放大器的一半。

　　漏極電流測(cè)量所需設(shè)置

　　測(cè)量漏極電流時(shí)，您首先需要為要放入電路的電流探針插一個(gè)線環(huán)。線環(huán)應(yīng)插入電路，使得只有漏極電流可流經(jīng)它。在PI 器件的漏極引腳與初級(jí)箝位電路的任意元件之間的印刷電路板漏極節(jié)點(diǎn)走線上，制造一個(gè)斷路點(diǎn)。將小線環(huán)圍繞您剛才制造的斷路點(diǎn)進(jìn)行焊接。為了降低噪音耦合和漏感，這個(gè)線環(huán)應(yīng)能僅僅容納電流探針與其夾接即可。

　　在進(jìn)行EMI 測(cè)量之前，應(yīng)隨時(shí)拆除電流環(huán)，以免它充當(dāng)環(huán)形天線，耦合高頻噪音，從而導(dǎo)致EMI性能下降。

　　電流測(cè)量所需的示波器設(shè)置

　　將電流探針連接到示波器。如果示波器輸入上的帶寬可由用戶選擇，請(qǐng)將示波器設(shè)置為20 MHz或更高。交流探針與直流探針的設(shè)置程序略有不同，下面我們將分別進(jìn)行介紹。

　　直流探針設(shè)置程序

　　使用直流探針時(shí)，請(qǐng)檢查探針?lè)糯笃魉璧氖静ㄆ鬏斎胱杩篂槎嗌?。大多?shù)探針?lè)糯笃鞫夹枰杩怪禐?0 歐姆。如果示波器沒(méi)有50 歐姆的設(shè)置，可使用阻抗相符的適配器。如果電流探針直接與示波器連接，則可以自動(dòng)適配。接下來(lái)，用放大器上的按鈕或設(shè)置對(duì)探針進(jìn)行消磁。在消磁之前，確保探針與電路斷開(kāi)連接，否則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而損壞電路。

　　檢查示波器輸入阻抗 消磁控制

　　現(xiàn)在，將探針夾接到電流環(huán)上，然后使其閉合。為確保方向正確，應(yīng)確保探針上指明電流方向的箭頭是指向漏極引腳。設(shè)置示波器增益，使其與探針?lè)糯笃鞯妮敵鱿嗥ヅ?調(diào)整探針?lè)糯笃魃系闹绷髌盟剑故静ㄆ魃系碾娏魉綒w零。

　　交流探針設(shè)置程序

　　使用交流探針時(shí)，請(qǐng)檢查示波器上的輸入阻抗是否與探針?biāo)璧淖杩瓜喾?。大多?shù)交流探針的輸入阻抗都為1 MΩ，不需要使用阻抗相符的適配器。將探針夾接到電流環(huán)上，然后使其閉合。確保探針上的箭頭指向與電流的正確方向一致，應(yīng)指向漏極引腳。設(shè)置示波器增益，以得到清晰可辨的波形。請(qǐng)查閱電源設(shè)計(jì)中所用Power Integrations 器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定其流限值。然后選擇示波器通道增益，使其能夠確保在接地與峰值漏極電流之間提供大約五個(gè)分區(qū)的清晰度。電源開(kāi)始運(yùn)行后，根據(jù)需要調(diào)整增益并進(jìn)行測(cè)量。電源開(kāi)始運(yùn)行后，您將會(huì)看到交流探針的輸出是以

　　接地點(diǎn)為中心的交流信號(hào)。通過(guò)調(diào)整示波器上的一些設(shè)置，您可以使交流探針信號(hào)看起來(lái)像是來(lái)自直流探針的輸出。首先，將示波器輸入設(shè)置為直流耦合。然后，調(diào)整示波器上的偏置水平，直到在MOSFET 關(guān)斷后可以看到示波器接地點(diǎn)的電流水平。接下來(lái)，不管是交流探針還是直流探針，都需要檢查您在電源運(yùn)行時(shí)獲得的電流波形。調(diào)整探針?lè)糯笃鞯脑鲆婧褪静ㄆ鞯臅r(shí)基，以便獲得一個(gè)清晰可測(cè)的波形。使用交流探針時(shí)，調(diào)整增益則會(huì)調(diào)整整個(gè)波形，并需要您再次調(diào)整直流偏置，重新以接地點(diǎn)為中心。注意，RDR-91 所介紹的設(shè)計(jì)范例是使用TinySwitch-III 器件

　　設(shè)計(jì)的，該器件采用了開(kāi)/關(guān)控制技術(shù)。PWM 控制結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品通過(guò)控制占空比來(lái)控制功率傳遞，而開(kāi)/關(guān)控制技術(shù)則是通過(guò)跳過(guò)整個(gè)周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這會(huì)使設(shè)計(jì)看似不穩(wěn)定，但實(shí)際上，這是產(chǎn)品的正常工作方式。如果看到波形反相，則說(shuō)明電流探針上的箭頭指向了錯(cuò)誤的方向。變換電流探針在電流環(huán)上的方向。探針進(jìn)行連接并正確配置后，反激式設(shè)計(jì)中的漏極電流波形應(yīng)當(dāng)在大約100 納秒內(nèi)直線降至零。調(diào)整交流探針(左)的輸出，使其與直流探針

　　(右側(cè))的輸出相符

　　如果看到波形的電流下降時(shí)間明顯長(zhǎng)于該值，請(qǐng)檢查電流環(huán)是否插在正確的測(cè)量點(diǎn)上。如果電流環(huán)插在變壓器引腳與箝位元件之間，探針仍會(huì)測(cè)量出流入箝位電路的電流。注意，電流探針將引起電流波形的延遲顯示。對(duì)于帶

　　寬為50 MHz 的探針，該延遲時(shí)間通常為10 到15 納秒。在測(cè)量開(kāi)關(guān)損耗或?qū)﹄娏鞑ㄐ闻c其它屏幕波形進(jìn)行時(shí)間敏感性比較時(shí)，需要考慮延遲因素?，F(xiàn)在就可以測(cè)量出漏極電流了。

　　漏極電壓測(cè)量所需設(shè)置

　　測(cè)量 MOSFET 上的開(kāi)關(guān)電壓時(shí)，需要使用一個(gè)電壓達(dá)100 倍的探針，額定電壓至少為1000 V。用于查看漏極電壓波形的示波器與探針的帶寬都應(yīng)為100 MHz 或更大。在將探針連接到電路之前，需要先確保它得到了正確補(bǔ)償。首先，將電壓探針連接到示波器。將探針連接到示波器的補(bǔ)償終端，然后調(diào)節(jié)示波器電壓和時(shí)基設(shè)置，使測(cè)試信號(hào)的上升沿和下降沿填充到屏幕上?，F(xiàn)在，使用隨探針一起提供的非金屬性探針調(diào)節(jié)工具，來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容，直到波

　　形上的任何下沖或過(guò)沖都降至最小。電流環(huán)路放置不當(dāng)所形成的其它電流路徑欠補(bǔ)償?shù)奶结?過(guò)補(bǔ)償?shù)奶结?正確補(bǔ)償?shù)奶结樥{(diào)節(jié)補(bǔ)償電容以減小過(guò)沖或下沖調(diào)節(jié)探針補(bǔ)償非常重要，因?yàn)檫@樣可以確保獲得最為準(zhǔn)確的電壓測(cè)量結(jié)果。例如，右圖所示為分別使用欠補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償和正確補(bǔ)償?shù)奶结樀玫降南嗤O電壓波形的三種測(cè)量結(jié)果。在兩個(gè)補(bǔ)償不當(dāng)?shù)奶结樕?，測(cè)得的峰值漏極電壓與正確的峰值漏極電壓的差值超過(guò)50 V，欠補(bǔ)償探針的差值則超過(guò)100 V。此外，還應(yīng)使用一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的數(shù)字萬(wàn)用表和示波器來(lái)測(cè)量固定直流電壓，用來(lái)檢驗(yàn)示波器自身的校準(zhǔn)度。由于高壓探針在測(cè)量低壓時(shí)多少都有些失準(zhǔn)，因此最好使用高壓供電源來(lái)進(jìn)行這種比較。如果沒(méi)有高壓供電源，建立一個(gè)固定的高壓直流電的最簡(jiǎn)單方法是，使用大容量電容來(lái)整流高壓交流電并對(duì)它進(jìn)行濾波。在本例中，我們使用一個(gè)22 uF 電容對(duì)265 伏交流電輸入進(jìn)行整流和濾波。

　　在本例中，萬(wàn)用表的電壓讀數(shù)為374 伏直流電，而示波器的讀數(shù)為376 伏直流電。這樣，您就可以對(duì)后面測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性充滿信心。

　　記得在完成本測(cè)試后，對(duì)電容進(jìn)行安全放電。接下來(lái)，將示波器探針連接到漏極節(jié)點(diǎn)，然后將接地線夾到源極引腳上。為了降低噪聲干擾，請(qǐng)?jiān)趯⒔拥鼐€連接到電路板之前，先使它纏繞探針，以減小環(huán)路面積。對(duì)電容進(jìn)行安全放電 用接地線纏繞電壓探針開(kāi)啟電源，然后調(diào)節(jié)示波器的垂直增益和時(shí)基，使漏極電壓波形能夠清晰顯示。在大多數(shù)穩(wěn)定性測(cè)量中，都會(huì)在電壓波形的下降沿觸發(fā)示波器。最后，將示波器的數(shù)字化采樣率設(shè)置為盡可能高的非重復(fù)值。此外，將示波器和輸入通道設(shè)置到最大帶寬，然后關(guān)斷示波器提供的所有額外濾波。這些步驟將確保獲得盡可能高的準(zhǔn)確度。在測(cè)量峰值漏極電壓以確保測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)，采用高示波器帶寬顯得特別重要。例如，這里是分別使用20MHz、100 MHz 和250 MHz 帶寬測(cè)量出的三個(gè)峰值電壓?？梢钥闯觯?0 MHz 與250 MHz 帶寬測(cè)量值之間的峰值電壓差值超過(guò)3V。對(duì)于漏極電壓的關(guān)鍵性測(cè)量，例如當(dāng)峰值電壓的絕對(duì)值非常重要時(shí),可以將示波器探棒替換為紋波探針，以便獲得最佳測(cè)量結(jié)果。這樣可以減小探針接地線的環(huán)路面積，降低噪聲干擾。使用紋波探針測(cè)得的峰值電壓通常會(huì)低5 到10 伏?，F(xiàn)在就可以測(cè)量出漏極電壓了。不同電壓測(cè)量中獲得的不同示波器帶寬結(jié)果使用紋波探針可以獲得最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。