介紹
隨著對提高電源效率和延長電池供電設(shè)備工作時間的需求，分析功率損耗和優(yōu)化電源效率的能力比以往任何時候都更加關(guān)鍵。效率的關(guān)鍵因素之一是開關(guān)器件的損耗。
本應(yīng)用筆記將提供這些測量的快速概述，以及使用示波器和探頭進(jìn)行更好、更可重復(fù)的測量的一些技巧。
典型的開關(guān)模式電源的效率可能約為 87%，這意味著 13% 的輸入功率在電源內(nèi)耗散，主要作為廢熱。在這種損耗中，很大一部分耗散在開關(guān)器件中，通常是 MOSFET 或 IGBT。
理想情況下，開關(guān)器件像電燈開關(guān)一樣，要么是“開”，要么是“關(guān)”，并在這些狀態(tài)之間瞬間切換。在“開”狀態(tài)下，開關(guān)的阻抗為零，開關(guān)中沒有功率耗散，沒有不管有多少電流流過它。在“關(guān)”狀態(tài)下，開關(guān)的阻抗是無窮大的，零電流流過，所以沒有功率耗散。
圖 1. 簡化的開關(guān)模式電源開關(guān)電路。
實際上，在“開”（導(dǎo)通）狀態(tài)期間會消耗一些功率，并且通常在“開”和“關(guān)”（關(guān)斷）之間以及“關(guān)”和“開”之間的轉(zhuǎn)換期間會消耗更多的功率“ （打開）。
圖 2. 將開關(guān)器件上的瞬時電壓乘以通過開關(guān)器件的電流可在整個開關(guān)周期內(nèi)提供瞬時功率。
這些非交易行為是由于電路中的寄生元件而發(fā)生的。如圖 3b 所示，柵極上的寄生電容減慢了器件的開關(guān)速度，延長了開啟和關(guān)閉時間。只要漏極電流流動，MOSFET 漏極和源極之間的寄生電阻就會消耗功率。
圖 3. A：開關(guān)在原理圖中的顯示方式，B：電路如何看到開關(guān)。
傳導(dǎo)損耗
在導(dǎo)通狀態(tài)下，開關(guān)確實具有很小的電阻和電壓降，并且開關(guān)消耗的功率是流過它的電流的函數(shù)。
對于 MOSFET，此功率通常建模為：
P = I D 2 * R DSon = I D * V DS
- 其中 ID 是漏極電流，
- R DSon是漏極和源極之間的動態(tài)導(dǎo)通電阻，通常 < 1 W，并且
- V DS是漏極和源極之間的飽和電壓，通常 < 1 V
對于 IGBT 或 BJT，此功率通常建模為：
P = I C * V CEsat
- 其中 I C是集電極電流和
- V CEsat是集電極和發(fā)射極之間的飽和電壓，通常 < 1 V
開啟損耗
在開啟期間，通過開關(guān)的電流迅速增加，器件兩端的電壓降迅速降低。但是，寄生元件（例如 MOSFET 中的柵極到漏極電容）會阻止開關(guān)瞬時開啟。當(dāng)器件開啟時，有大量電流流過器件，器件兩端有大量電壓，并且會發(fā)生大量功率損耗。
對于 MOSFET，在開啟期間，該功率通常建模為：
P = I D * V DS
- 其中 I D是漏極電流和
- V DS是漏極和源極之間的電壓
對于 IGBT 或 BJT，在開啟期間，此功率通常建模為：
P = I C * V CE
- 其中 I C是集電極電流和
- V CE是集電極到發(fā)射極的電壓
關(guān)斷損耗
以類似的方式，在關(guān)斷期間，通過開關(guān)的電流迅速減小，器件兩端的電壓降迅速增加，但電路寄生效應(yīng)阻止了開關(guān)瞬間關(guān)斷。當(dāng)器件關(guān)閉時，有大量電流流過器件，器件兩端有大量電壓，并且會發(fā)生大量功率損耗。上述等式也適用。
測量開關(guān)損耗
測量開關(guān)損耗有兩種方法：可以使用手動設(shè)置和內(nèi)置示波器測量來測量，但某些示波器上也有自動測量系統(tǒng)。自動測量具有易于設(shè)置和提供易于重復(fù)的結(jié)果的優(yōu)點。無論使用哪種技術(shù)，仔細(xì)的探測和優(yōu)化都將幫助您獲得良好的結(jié)果。
探測和測量設(shè)置
在討論具體的功率測量之前，有六個關(guān)鍵步驟可以進(jìn)行準(zhǔn)確且可重復(fù)的測量：
1. 消除電壓偏移誤差：差分探頭中的放大器可能會有輕微的直流電壓偏移，這會影響測量精度。在輸入短路且未施加信號的情況下，自動或手動將探頭中的直流偏移調(diào)整為零。
2. 消除電流偏置誤差：電流探頭也可能由于探頭中的剩磁以及放大器偏置而出現(xiàn)直流偏置誤差。在鉗口閉合且未施加信號的情況下，自動或手動消除探頭中的直流偏移。
3. 消除時序誤差：由于瞬時功率測量是基于多個信號計算的，因此信號的時間正確對齊非常重要。用于測量電壓和電流的技術(shù)不同，通過這些設(shè)備的傳播延遲可能會有很大差異，從而導(dǎo)致測量誤差。通常可以通過調(diào)整通道間時序來考慮去偏移菜單中標(biāo)稱傳播延遲的差異，從而獲得良好的結(jié)果。為獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果，請將高轉(zhuǎn)換率信號應(yīng)用于所有輸入，并仔細(xì)消除所有通道之間的任何相對時序偏移（偏斜）。
4. 優(yōu)化信噪比：在所有測量系統(tǒng)中，尤其是在現(xiàn)代示波器等數(shù)字設(shè)備中，良好的測量技術(shù)要求保持信號盡可能大（無削波），以最大限度地減少噪聲影響并最大限度地提高垂直分辨率. 這包括在探測信號時使用最低必要衰減和使用示波器的全動態(tài)范圍。
5. 信號調(diào)理：也可以通過調(diào)理輸入信號來提高測量質(zhì)量。帶寬限制可用于有選擇地降低高于感興趣頻率的噪聲，平均可用于降低信號上的不相關(guān)或隨機(jī)噪聲。高分辨率采集模式提供帶寬限制和降噪，提高垂直分辨率，甚至適用于單次模式采集的信號。
6. 準(zhǔn)確性和安全性：為獲得最佳準(zhǔn)確性，請務(wù)必在正常工作范圍內(nèi)且低于峰值額定值使用設(shè)備。而且，為了您的安全，請始終保持在設(shè)備的絕對最大規(guī)格范圍內(nèi)，并遵循制造商的使用說明。
測量開關(guān)損耗 - 手動設(shè)置和內(nèi)置測量
測量關(guān)斷損耗的一種方法是使用門控測量。目的是測量關(guān)斷階段的平均功耗。在本例中，MOSFET 的 V DS是使用差分電壓探頭采集的，在圖 4 中以黃色顯示。漏極電流是使用 AC/DC 電流探頭采集的，以青色顯示。調(diào)整每個通道的垂直靈敏度和偏移量，使信號占據(jù)垂直范圍的一半以上，但不會超出標(biāo)線的頂部和底部。
圖 4. 使用波形乘法和對整個采集過程中的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行平均測量的開關(guān)功率損耗測量。該技術(shù)依賴于手動設(shè)置，使用該示波器的標(biāo)準(zhǔn)功能。
穩(wěn)定的顯示對于視覺分析很重要，因此示波器的邊沿觸發(fā)設(shè)置為電壓波形上的 50% 點。然后設(shè)置采樣率以確保信號邊沿上有足夠的時序分辨率。在這種情況下，6.25 GS/s 的采樣率會在開關(guān)波形的每個邊沿上產(chǎn)生許多采樣點。最后，啟用高分辨率采集模式以將垂直分辨率提高到 16 位。
然后使用波形數(shù)學(xué)將電流乘以電壓以創(chuàng)建橙色瞬時功率波形。使用自動測量來測量功率波形的平均值或平均值。
在本例中，工程師手動調(diào)整示波器以優(yōu)化開關(guān)損耗測量的質(zhì)量。稍后，該工程師或其他工程師可能會稍微不同地設(shè)置測量，從而導(dǎo)致不同的測量結(jié)果。通過功率分析軟件自動執(zhí)行測量可以消除許多變化源。
測量開關(guān)損耗 - 使用功率分析軟件自動測量
為了持續(xù)優(yōu)化設(shè)置并提高測量可重復(fù)性，功率測量應(yīng)用程序可能很有用。在這種情況下，PWR 高級功率分析應(yīng)用程序為開關(guān)損耗測量提供自定義自動設(shè)置，然后只需按下按鈕，即可進(jìn)行全套開關(guān)損耗功率和能量測量。
轉(zhuǎn)換速率和開關(guān)損耗
正如檢查瞬時功率波形所預(yù)期的那樣，并且如圖 5 中的開關(guān)損耗測量值所示，關(guān)斷損耗是總開關(guān)損耗中的主要損耗機(jī)制。這種高損耗的一個潛在原因是開關(guān)驅(qū)動電路的性能。如果驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)換時間或壓擺率比預(yù)期慢，則開關(guān)在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間的停留時間將比預(yù)期更長，并且開關(guān)損耗將高于預(yù)期。
壓擺率測量是給定時間間隔內(nèi)的電壓變化（通常在邊緣的 10% 和 90% 點之間），單位為伏特/秒。因為數(shù)學(xué)導(dǎo)數(shù)本質(zhì)上是一個高通濾波器，因此會加重噪聲，建議您使用平均來減少隨機(jī)噪聲對這些測量的影響。
通過將一個波形光標(biāo)放在信號邊沿的 10% 點，將另一個光標(biāo)放在波形邊沿的 90% 處，可以使用光標(biāo)手動進(jìn)行轉(zhuǎn)換速率測量。然后通過將電壓測量值之間的差異除以光標(biāo)之間的時間差來計算壓擺率。該技術(shù)要求用戶估計波形上的 10% 和 90% 點并計算結(jié)果。
圖 6. 軌跡圖顯示了多個周期的開啟（綠色跡線）和關(guān)閉（紅色跡線）期間的電壓與電流關(guān)系，顯示了開關(guān)如何隨時間變化。在這個測試電路中，漏極電流受到電阻器的限制，所以曲線是線性的。
許多示波器可以通過自動測量改進(jìn)這一過程。自動幅度和上升時間測量可用于確定信號幅度，將測量閾值設(shè)置為該幅度的 10% 和 90%，然后測量信號的上升時間。而且，在復(fù)雜信號的情況下，光標(biāo)選通可用于將測量集中在波形的特定部分。然后通過將幅度乘以 80% 并除以上升時間測量值來計算壓擺率。
然而，功率分析軟件使壓擺率測量設(shè)置變得容易，并且隨著設(shè)計工程師調(diào)整電路中的元件值，它減少了測量結(jié)果的變化。
圖 7. MOSFET 柵極信號的自動轉(zhuǎn)換速率測量。
對 MOSFET 柵極（VGS，在圖 7 中的通道 3 上以紅色顯示）上的光標(biāo)門控壓擺率測量表明，開關(guān)信號比設(shè)計規(guī)范慢得多，因為柵極處的電容高于預(yù)期。開關(guān)裝置。
圖 7 中垂直光標(biāo)之間顯示的指數(shù)衰減是柵極驅(qū)動電路的輸出阻抗、開關(guān) MOSFET 器件內(nèi)的寄生柵極電容和柵極處的電路板電容的函數(shù)。當(dāng)驅(qū)動信號的速度增加時，通過降低柵極驅(qū)動輸出阻抗和柵極節(jié)點處的電容，開關(guān)損耗改善了近 30%，如圖 8 所示。
開關(guān)損耗測量是優(yōu)化開關(guān)模式電源效率的關(guān)鍵部分。通過使用良好的測量技術(shù)和自動化功率測量，可以輕松快速且可重復(fù)地進(jìn)行一系列復(fù)雜的開關(guān)損耗測量
