示波器數(shù)學函數(shù)有助于熱插拔電路分析

數(shù)字示波器是大多數(shù)工程實驗室的常態(tài)，但您可能還沒有充分探索它們的功能。數(shù)字示波器更有趣的功能之一是“數(shù)學”通道，它可以以新穎的方式應用于簡化和擴展熱插拔和負載開關電路的分析。本應用筆記介紹了如何將示波器的探頭連接到熱插拔電路，以獲得MOSFET功耗和負載電容的精確值。MAX5976熱插拔方案作為示例器件。

示波器設置

為簡單起見，我們選擇了MAX5976熱插拔方案，該方案將內(nèi)部MOSFET開關元件與電流檢測和驅(qū)動電路相結合，以實現(xiàn)完整的電源開關電路。（以下測試方法也適用于由分立元件構建的熱插拔控制電路。如圖1所示，通過將示波器探頭連接到熱插拔電路，示波器可以訪問計算所需的信號。連接到輸入和輸出的電壓探頭提供 MOSFET 兩端的壓降;電流探頭提供了檢測通過 MOSFET 的負載電流的最簡單方法。

圖1.示波器探頭連接到MAX5976和MAX5978熱插拔電路。這些示波器連接獲得的波形饋送示波器的高級數(shù)學函數(shù)。

請注意，相同的基本連接適用于非集成熱插拔電路。在MOSFET前后連接輸入和輸出電壓探頭（MAX5976內(nèi)部，MAX5978外部），并將電流探頭與電路的檢流電阻串聯(lián)。為了準確測量流過開關元件本身的電流，應將電流探頭放置在輸入旁路電容之后和輸出電容之前。

場效應管功耗

開關元件（通常為 n 溝道 MOSFET）中的功耗是漏源電壓 （VDS） 和漏極電流 （ID).在我們的測試設置中，VDS是通道 2 和通道 1 之間的區(qū)別，而 ID由電流探頭直接測量。此示例中使用的示波器（泰克? DPO3034）具有通過高級數(shù)學菜單配置的數(shù)學跟蹤（圖 2）。

圖2.此菜單允許您在 DPO3034 數(shù)字示波器的高級數(shù)學功能中編輯數(shù)學表達式。

要測量MOSFET中的功耗，只需輸入一個表達式，從通道2中減去通道1。將結果乘以電流探頭信號。當熱插拔電路使能時，其輸出電壓以特定的dV/dt壓擺率上升至輸入電位。負載電容充電電流（ID） 根據(jù)以下特性流經(jīng) MOSFET：

ID = COUT × dV/dt

在示波器上捕獲此啟動事件可得到圖3a所示的波形，其輸出電容為360μF和V在= 12V。MAX5976將浪涌電流限制在2A。請注意，功率波形呈遞減斜坡，從12V開始×2A = 24W，隨著輸出上升到12V而下降到0W。這種行為正是我們對熱插拔電路以恒定電流為負載電容充電所期望的。

圖 3a.圖1所示電路的MOSFET功耗（紅色跡線）表示C。外= 360μF. 浪涌電流被鉗位至 2A。

以這種方式測量的功率波形可用于確定 MOSFET 是否在其安全工作區(qū) （SOA） 內(nèi)，或者參考 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊中的相關圖表來估計其結溫的升高。直接從實際測量中確定波形消除了近似功耗的固有誤差。此外，在浪涌電流和dV/dt都不恒定的啟動事件期間，可以準確捕獲功率波形（圖3b）。

圖 3b.在浪涌電流和dV/dt都不恒定的啟動期間準確捕獲功率波形。這里浪涌電流被解開。

如果示波器中的數(shù)學函數(shù)包括積分操作數(shù)，則可以進一步計算此波形，以顯示導致FET中顯著功耗的任何事件中沉積在MOSFET中的總能量。圖4將積分功能應用于MOSFET的功率信息。

圖4.功耗積分產(chǎn)生啟動期間沉積在圖1所示MOSFET中的總能量。

如圖 3a 所示，COUT為 360μF，浪涌電流被鉗位至 2A。由于功率波形呈三角形，啟動持續(xù)時間約為2ms，因此我們預計MOSFET中約有24W/2×2ms = 24mJ的能量轉(zhuǎn)化為熱量。事實上，在啟動活動結束時，數(shù)學通道的功率積分幾乎正好達到 24mWs （= 24mJ） 的能量！

顯然，這種技術也可以應用于影響MOSFET的其他瞬態(tài)條件，例如關斷和短路或過載事件。在檢查MOSFET的SOA和熱特性時，這些詳細的功率和能量信息可用于精確計算脈沖持續(xù)時間和單脈沖功率。

測量負載電容

在數(shù)字示波器的數(shù)學功能中，積分操作數(shù)還可用于測量熱插拔負載電容，前提是啟動期間阻性負載電流很小。

電容是施加到電容器的每伏特存儲的電荷量;電荷只是電流的時間積分。因此，通過對熱插拔浪涌電流進行積分并除以輸出電壓，示波器的數(shù)學功能可以以驚人的精度測量總負載電容。在圖5a中，熱插拔控制器由三個陶瓷輸出電容使能，每個電容的標稱值為10μF。數(shù)學跟蹤最初毫無意義，因為 V 之前的除以零問題外上升。但是，當V外超過零時，數(shù)學通道迅速收斂至大約 27μF 的測量電容。 請注意，此積分的數(shù)學函數(shù)單位沒有正確表示 - 現(xiàn)代數(shù)字示波器令人驚嘆，但它們?nèi)匀粺o法讀懂我們的思想或理解我們的意圖！

圖 5a.圖1用C測量輸出電容外= 30μF。

圖5b重復了圖5a的實驗，但在輸出端增加了一個標稱值為330μF的鋁電解電容。請注意，當啟動事件結束時，數(shù)學跡線顯示測得的輸出電容約為360μF，幾乎完全符合我們的預期。請記住，阻性負載會消耗未存儲在電容器中的電流，從而降低這些電容測量的精度。然而，對于短期測量，結果仍然非常有用。

圖 5b.圖1用C測量輸出電容外= 30μF + 330μF。