4 系列 B MSO 提供了 FlexChannel? 輸入及新型圖形用 戶界面，設(shè)計(jì)人員可以一次測試多個(gè)測試點(diǎn)，從而加快測 試速度。高級功率測量和分析選項(xiàng) (4/5/6-PWR) 為關(guān)鍵 功率測量自動完成設(shè)置過程，并提供了多種工具，根據(jù)電 源設(shè)計(jì)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)評估測試結(jié)果。本應(yīng)用指南將概括介紹怎樣使用泰克4系列B MSO示波器及4/5/6-PWR 功 率分析軟件進(jìn)行重要的電源測量。

準(zhǔn)備電源測量

為進(jìn)行準(zhǔn)確測量，必須正確設(shè)置功率測量系統(tǒng)，精確地捕 獲波形，進(jìn)行分析和調(diào)試。要考慮的重要課題有：

消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)延

消除探頭偏置

對電流探頭消磁

消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)延

在使用示波器進(jìn)行功率測量時(shí)，必需測量經(jīng)過被測器件 的電壓及流經(jīng)被測器件的電流。這項(xiàng)任務(wù)要求兩只單獨(dú) 的探頭：一只電壓探頭（通常是高壓差分探頭）和一只電 流探頭。每只電壓探頭和電流探頭都有自己的傳播延遲 特性，這些波形中產(chǎn)生的邊沿可能并沒有對準(zhǔn)。電流探頭 和電壓探頭之間的延遲差稱為時(shí)延，會導(dǎo)致幅度和定時(shí) 測量不準(zhǔn)確。

泰克 4 系列 B MSO 可以補(bǔ)償從探頭尖端到測量系統(tǒng)的 延遲，確保進(jìn)行最準(zhǔn)確的定時(shí)測量。您可以手動校正探頭 時(shí)延，把探頭連接到相同的波形源，然后把延遲加到較 快信號的信號路徑中，這樣就可以在時(shí)間上對準(zhǔn)信號，而 不必以物理方式在較短的探頭電纜中增加電纜長度。 

4 系列 B MSO 還提供了單鍵“靜態(tài)”時(shí)延校正功能。示波器從探頭中讀取標(biāo)稱傳播延遲，計(jì)算出兩 只探頭之間的延遲差約為 1.48 ns。您只需按 OK，Deskew 按鈕就會調(diào)節(jié) 信號之間的相對定時(shí)。

消除探頭偏置

差分探頭可能有很小的電壓偏置。這個(gè)偏置可能會影響 精度，應(yīng)先消除這個(gè)偏置后再繼續(xù)測量。大多數(shù)差分電 壓探頭有內(nèi)置 DC 偏置調(diào)節(jié)控制，因此去除偏置相對簡 單。

對電流探頭消磁

消磁功能會消除變壓器磁芯中任何殘留的 DC 流量，這 可能是由大量的輸入電流引起的。這種殘余流量會導(dǎo)致 偏置誤差，應(yīng)消除這種誤差，提高測量的準(zhǔn)確度。

泰克 TekVPI 電流探頭提供了一個(gè)消磁警告指示燈，會警 告用戶執(zhí)行消磁操作。消磁警告指示燈非常重要，因?yàn)殡?流探頭會隨著時(shí)間推移產(chǎn)生漂移，可能會明顯影響測量。

輸入分析

工頻測量表征設(shè)計(jì)對輸入變化、設(shè)計(jì)吸收的電流和功率 以及設(shè)計(jì)的工頻電流失真的反應(yīng)。某些測量如功耗是關(guān) 鍵指標(biāo)。其他測量如功率因數(shù)和諧波，可能會有法規(guī)限 制。

功率質(zhì)量測量

在 4/5/6-PWR 中，功率質(zhì)量測量是一套標(biāo)準(zhǔn)功率測量。 它們通常在 AC 線路輸入上執(zhí)行，但也可以應(yīng)用到器件的 AC 輸出上，如功率逆電器。這些測量包括：

頻率

RMS 電壓和電流

波峰因數(shù) ( 電壓和電流 )

有功率、無功功率和視在功率

功率因數(shù)和相位

進(jìn)行測量

通過使用差分探頭測量系統(tǒng)的工頻電壓，使用電流探頭 測量系統(tǒng)的工頻電流，可以簡便地進(jìn)行功率質(zhì)量測量。也 可以使用相同的設(shè)置，來測量電流諧波。

測量結(jié)果

頻率：電壓波形的頻率，單位為 Hz

VRMS：顯示的電壓波形的均方根值

IRMS：顯示的電流波形的均方根值

電壓波峰因數(shù)：電壓的峰值幅度除以電壓的 RMS 值

電流波峰因數(shù)：電流的峰值幅度除以電流的 RMS 值

有功率：測量的系統(tǒng)的實(shí)數(shù)功率，單位為瓦特 (W)

無功功率：臨時(shí)存儲在電感或電容單元中的虛數(shù)功率，用 Volt-Amperes-Reactive (VAR) 表示

視在功率：測量的復(fù)合功率的絕對值，單位為伏安 (VA)

功率因數(shù)：有功率與視在功率之比

相位：有功率與視在功率之間的角度，單位為度

諧波

當(dāng)非線性器件使流入電路的電流失真時(shí)，就會發(fā)生電流 諧波。線性電路只在基礎(chǔ)工頻吸收電流，但非線性電路 在基礎(chǔ)頻率的倍數(shù)上吸收電流，每個(gè)諧波有不同的幅度 和相位。

在電流與諧波流經(jīng)配電系統(tǒng)的阻抗時(shí)，會產(chǎn)生電壓失真。 熱量會在線纜和變壓器中積聚，在連接到電網(wǎng)的開關(guān)電 源數(shù)量提高時(shí)，電網(wǎng)上的諧波失真也會提高。

進(jìn)行測量

使用差分電壓探頭測量工頻電壓，使用電流探頭測量工頻電流。

測量結(jié)果

Results 標(biāo)簽顯示了選擇的諧波標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)諧波和三階諧波幅度、THD-F、THD-R、RMS 值和通過 / 未通過狀態(tài)。

可以選擇各個(gè)諧波，測量值在結(jié)果標(biāo)簽、柱狀圖和結(jié)果表之間鏈接起來。

諧波表包括：

選擇的諧波標(biāo)準(zhǔn)

諧波數(shù)和頻率

幅度 (RMS)：諧波測得的 RMS 幅度值，單位為 dBμA 或 A

幅度 (%)：相對于基礎(chǔ)頻率的諧波測得幅度

相位：相對于頻率基準(zhǔn)的諧波相位，單位為度

極限：指定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波極限

狀態(tài)：預(yù)一致性測試通過 / 失敗狀態(tài)

裕量：實(shí)測值與極限之差

電流諧波可以用分貝微安 (dBμA) 或安培 (A) 為單位顯示

浪涌電流和輸入電容

通常，浪涌電流會在首次通電時(shí)出現(xiàn)。電源轉(zhuǎn)換器在其 輸入電容充電時(shí)會汲取相對較高的電流。初始浪涌之后， 除非發(fā)生其他系統(tǒng)變化，否則電流將維持在穩(wěn)定狀態(tài)。 浪涌電流測量可提供有關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要信息，包括保 護(hù)器件的尺寸。在極端情況下，浪涌電流會導(dǎo)致交流線 路電壓驟降。

浪涌電流和輸入電容直接相關(guān)，且兩者均可提供重要的 詳細(xì)信息，讓工程師充分了解電源轉(zhuǎn)換器的啟動特性。

開關(guān)分析

電源開關(guān)階段的測量確認(rèn)轉(zhuǎn)換器是否正確運(yùn)行，量化損 耗來源，確認(rèn)器件在正常范圍內(nèi)工作。

開關(guān)損耗測量

在各種物理電容器和寄生電容器充電時(shí)，會發(fā)生開通損 耗，電感器會產(chǎn)生磁場，會發(fā)生相關(guān)的瞬態(tài)電阻損耗。 同樣，在開關(guān)電源關(guān)斷時(shí)，即使市電已經(jīng)拔下，仍會有能 量放電并與各種元件交互，因此也會發(fā)生損耗。

進(jìn)行測量

為了進(jìn)行開關(guān)損耗測量，示波器必須測量經(jīng)過開關(guān)上的 電壓和流經(jīng)器件的電流。開關(guān)損耗結(jié)果如圖 11 所示。

測量結(jié)果

Ton：每個(gè)周期開通功率和能量損耗值的均值

Toff：每個(gè)周期關(guān)斷功率和能量損耗值

Total：每個(gè)周期總平均功率損耗和平均能量值

左右箭頭按鈕可以遍歷開關(guān)周期，放大查看問題區(qū)域

還可以在結(jié)果表中查看測量數(shù)據(jù)。這個(gè)表格會顯示所 有開關(guān)周期的累積測量結(jié)果，迅速進(jìn)行復(fù)核。

進(jìn)行測量

在電源中運(yùn)行晶體管時(shí)，確定晶體管的 SOA 的主要 挑 戰(zhàn)之一，是在各種負(fù)載場景、溫度變動和工頻輸入電壓 變化下準(zhǔn)確地捕獲電壓和電流數(shù)據(jù)。4/5/6-PWR 自動實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)捕獲和分析，簡化了這一任務(wù)。測量要求探測開 關(guān)晶體管上的電壓和流經(jīng)的電流。

測量結(jié)果

在設(shè)置完成后，會顯示 SOA 測試 結(jié)果，如圖 14 所示。電壓和電流波 形在 XY 模式下在一條記錄中繪制。示圖顯示了一個(gè)采集周期的所有 數(shù)據(jù)。

結(jié)果標(biāo)簽顯示了器件落在 SOA 模板外面的次數(shù)，給出了測試通過 / 未 通過結(jié)果。

磁性分析

電感器和變壓器用來為開關(guān)電源及線性電源中的存儲器 件加電。某些電源還在輸出上，在濾波器中使用電感器。 考慮到其在功率轉(zhuǎn)換器中的重要作用，表征這些磁性器 件對確定電源的穩(wěn)定性和整體效率具有至關(guān)重要的作 用。

4/5/6-PWR 中的磁性分析功能自動完成以下幾組測量： 電感、磁性損耗和 B-H 參數(shù)。

電感

電感器的阻 抗會隨著 頻率 提高，較高頻率的阻 抗 要高 于較低頻率的阻抗。這種特點(diǎn)稱為電感，單位用亨利為 表示?？梢允褂门鋫涔β史治鲕浖氖静ㄆ髯詣訙y量器 件的電感。

進(jìn)行測量

4/5/6-PWR 應(yīng)用對測量期間的電壓求積分，然后除以電 流變化，計(jì)算出電感值。它探測經(jīng)過磁性器件的電壓及 流經(jīng)磁性器件的電流，來進(jìn)行測量。電感測量結(jié)果與圖 14 中多種其他測量一起顯示。黃色 (Ch1) 波形是經(jīng)過 電感器的電壓，青色波形 (Ch2) 是流經(jīng)電感器的電流。 另外還顯示了 B-H 曲線。

測量結(jié)果

電感：器件或電路的電感值

磁性損耗

分析磁性功率損耗是全面分析開關(guān)電源損耗的基本組 成部分。兩種主要磁性損耗是磁芯損耗和銅纜損耗。銅 纜線圈的電阻會在電源中產(chǎn)生銅纜損耗。磁芯損耗與磁 芯中的漩渦電流損耗和磁滯損耗有關(guān)。磁芯損耗與 DC 通量無關(guān)，但受到 AC 通量擺幅和工作頻率的影響。

進(jìn)行測量

4/5/6-PWR 能夠計(jì)算單線圈電感器、多線圈電感器、甚 至變壓器中的磁性損耗。

在單線圈變壓器中，會連接一只差分探頭，測量經(jīng)過主 線圈的電壓。電流探頭則測量流經(jīng)變壓器的電流。然后 示波器和功率測量軟件可以自動計(jì)算磁性功率損耗。

測量結(jié)果

功率損耗：由于磁性元件導(dǎo)致的總功率損耗

磁學(xué)屬性 (B-H 曲線 )

磁性通量密度 B 指磁場的強(qiáng)度，單位為特斯拉，它決定 著磁場在運(yùn)動電荷上施加的力。磁場強(qiáng)度或場強(qiáng) H 指磁 化力，單位為 A/m。材料的磁導(dǎo)率 m 的單位為 H/m，衡 量的是材料由于應(yīng)用的磁場而產(chǎn)生的磁化程度。

由于 B 和 H 都依賴磁性元 件的物理特點(diǎn)，如磁長和磁芯周圍的線圈數(shù)，因此這些 曲線決定著元件磁芯材料的性能包絡(luò)。

進(jìn)行測量

為生成 B-H 圖，要測量經(jīng)過磁性元件的電壓和流經(jīng)的 電流。在變壓器中，主要是經(jīng)過初級線圈和次級線圈的 電流。必須先在配置面板中輸入電感器的圈數(shù) (N)、磁長 (l) 和磁芯的橫截面面積 (Ae)，然后功率分析軟件就可以 計(jì)算 B-H 曲線圖。

高壓差分探頭連接到示波器的通道 1 上，經(jīng)過變壓器的 初級線圈。測得的這個(gè)電壓是磁性元件中磁感應(yīng) B 的結(jié) 果。通道 2 使用電流探頭測量流經(jīng)初級線圈的電流。如 果需要，電流探頭還用來測量流經(jīng)通道 3 和通道 4 上次 級線圈的電流。然后功率分析軟件使用示波器通道 2、3、 4 的數(shù)據(jù)計(jì)算磁化電流，然后使用磁化電流值，確定 H 成分。

測量結(jié)果

△B：通量密度變化。

△H：場強(qiáng)變化。

磁導(dǎo)率：材料的磁化程度。

Bpeak：磁性元件中感應(yīng)的最大磁性通量密度。

Br：曲線上 H = 0、且 B 仍為正值的點(diǎn)，這稱為元件的 剩磁，是衡量元件頑磁性的一 個(gè)指標(biāo)。剩磁 越高，材 料保留磁化的程度越高。

Hc：曲線上 B = 0、且 H 是負(fù)值的點(diǎn)。這代表著導(dǎo)致 B 達(dá)到零所要求的外部場。這個(gè) H 值稱為抗磁力。抗磁 力小，意味著元件可以簡便地去磁。

Hmax：H 軸和磁滯環(huán)橫截面上 H 的最大值。

紋波：電流的峰峰值。

頻率響應(yīng)分析

控制環(huán)路頻率響應(yīng)

控制環(huán)路頻率響應(yīng)分析（通常稱為伯德圖）有助于分析 電源控制回路的頻率響應(yīng)特性。伯德圖表示在一定頻率 范圍內(nèi)計(jì)算出的反饋環(huán)路的增益和相位偏移，進(jìn)而提供 有關(guān)控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的重要信息。這可以使 用矢 量網(wǎng)絡(luò)分析 儀（VNA）進(jìn) 行 測量，但 還可以使 用示 波器和函數(shù)發(fā)生器進(jìn)行測量。

建立連接后，配置激勵(lì)掃描。4/5/6-PWR 軟件支持恒定 振幅和振幅自定義掃描。恒定振幅掃描在所有頻率下均 維持相同的振幅。振幅自定義掃描支持在定義的頻帶指 定不同的振幅。振幅自定義掃描可用于改善測量的信噪 比（SNR）。

相位裕度是在增益交叉頻率處測量，該增益交叉頻率會 出現(xiàn)在增益圖跨過 0 db 時(shí)。相位圖上的對應(yīng)點(diǎn)給出了 相位裕度。

增益裕度是在相位交叉頻率處測量，該相位交叉頻率會 出現(xiàn)在相位跨過 -180 度時(shí)。相位是相對于 -180 進(jìn)行繪 制，因此顯示為零交叉。在此相位交叉頻率處的相應(yīng)增 益值給出了增益裕度。

電源抑制比（PSRR）

電源抑制比表示電源能夠防止其輸入 上的交流噪聲出現(xiàn)在其直流輸出上的 能力。為了執(zhí)行 PSRR 測試，將掃描正 弦 激 勵(lì) 施 加到電源 的 輸 入 端。此 測 量 需 要 直 流＋交 流 網(wǎng) 絡(luò)求 和 裝 置，例 如 Picotest 的 J2120A 線路注入器。

4/5/6-PWR 軟 件可自動 進(jìn) 行 掃 描，并 測量每個(gè)頻率的輸入輸出信號。此軟件 會 以 20 Log（Vin/Vout）計(jì) 算 頻 帶 內(nèi) 每個(gè)頻率上的衰減比，并在顯示器上繪 制測量值。

阻抗測量

分析配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗有助于確定系統(tǒng)內(nèi)噪聲的影響。阻 抗曲線表示特定頻帶上的阻抗值。DUT 可能是 PDN（包 括電路板走線和電容器）的組合阻抗，或者是組件或子 系統(tǒng)，例如穩(wěn)壓器模塊（VRM）。

輸出分析

必須評估任何 DC 電源輸出的穩(wěn)定性和噪聲。5-PWR 高 級功率測量和分析軟件為量化和分類紋波提供了多種工 具。

工頻紋波和開關(guān)紋波

簡而言之，紋波是疊加到電源 DC 輸出上的 AC 電壓，用 正常輸出電壓的百分比或峰峰值電壓表示。

電源輸出上顯示兩類紋波：工頻紋波度量的是與工頻頻 率有關(guān)的紋波，開關(guān)紋波度量的是根據(jù)確定的開關(guān)頻率 從開關(guān)電源輸出檢測到的紋波數(shù)量。

進(jìn)行測量

只需使用一只電壓探頭，就可以測量系統(tǒng)的紋波。差分 探頭必須連接到系統(tǒng)的輸出上，才能測量輸出工頻和開 關(guān)紋波電壓。

工頻紋波和開關(guān)紋波的配置標(biāo)簽（參見圖 25）非常像。 這兩種紋波測量都要求選擇輸入耦合 (AC 或 DC）模式、 要求的帶寬限制（20MHz、150/250MHz 或全帶寬）及 示波器的采集模式 - 采樣、峰值檢測或高分辨率（High Res）。在工頻紋波測量中，必須確定系統(tǒng)的工頻頻率： 50 Hz 或 60 Hz 或 400 Hz。開關(guān)紋波測量要求開關(guān)頻 率指標(biāo)。

一旦測量配置完畢，會顯示結(jié)果，如圖 26 所示。

測量結(jié)果

峰峰值和 RMS 紋波值：這些是系統(tǒng)工頻或開關(guān)紋波的 峰峰值和 RMS 電壓。

效率

器件或產(chǎn)品效率高，是當(dāng)今激烈競爭的市場環(huán)境中決定成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素。高級功率測量和分析軟件可以簡便地 測量功率轉(zhuǎn)換 (AC-DC,AC-AC,DC-DC,DC-AC) 產(chǎn)品的效率。對擁有最多 3 個(gè)輸出的功率產(chǎn)品，高級功率測量和分析 軟件使得設(shè)計(jì)人員可以立刻測試整個(gè)系統(tǒng)的效率，加快測試和驗(yàn)證速度。

 顯示了擁有 1 個(gè)輸入和 3 個(gè)輸出的 AC-AC 轉(zhuǎn)換器上的效率測量結(jié)果，其中使用演示電路板和數(shù)學(xué)信號仿真多 輸出器件。我們測量（在本例中仿真）了每個(gè)輸入和輸出的電壓和電流：

Ch 3: 輸入電壓

Ch 4: 輸入電流

Ch 7: 輸出 1 電壓

Ch 8: 輸出 1 電流

Math 3: 輸出 2 電壓

Math 4: 輸出 2 電流

Math 6: 輸出 3 電壓

Math 7: 輸出 3 電流

注意上例中使用了自定義標(biāo)簽，識別起來非常簡便。應(yīng) 用軟件根據(jù)需要自動創(chuàng)建數(shù)學(xué)功率波形。在上面的實(shí)例 中，這些波形都是自動創(chuàng)建的：

Ch3: 輸入電壓

Ch4: 輸入電流

Ch7: 輸出 1 電壓

Ch8: 輸出 1 電流

Math1: 輸入 1 功率

Math2: 輸出 1 功率

Math5: 輸出 2 功率

Math8: 輸出 3 功率 

應(yīng)用會計(jì)算被測器件的各種效率和總效率，在結(jié)果標(biāo)簽 中顯示。還可以打開結(jié)果表，用 .MHT 或 PDF 格式保存 報(bào)告。 

導(dǎo)通時(shí)間

導(dǎo)通時(shí)間是施加輸入電壓后達(dá)到電源輸出電壓所需的時(shí)間。一個(gè)通道用于測量輸入，示波器的任何剩余通道可用于 測量輸出。這樣可以在一次采集中測量多個(gè)電源軌。 

關(guān)斷時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間是移除輸入電壓后使電源的輸出電壓接近于零所需的時(shí)間。

交流 - 直流和直流 - 直流導(dǎo)通時(shí)間測量技術(shù)可擴(kuò)展至驗(yàn)證多路輸出電源的通 電和斷電順序。

在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，電源輸出的時(shí)序和順序關(guān)系著最終產(chǎn)品是否能可靠運(yùn)作， 以及保證裝置不間斷正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員將會關(guān)注如何調(diào)整其終端裝置，如 UPS 在指定時(shí)間內(nèi)回到穩(wěn)定狀態(tài)。例如，電池充電后以連續(xù)的方式產(chǎn)生直 流輸出，而逆變器系統(tǒng)則連續(xù)充電至交流干線中。如果電源中斷，則電池會 為逆變器供電。關(guān)斷時(shí)間很重要，這樣電池才能在指定的時(shí)間內(nèi)啟動。

生成報(bào)告

數(shù)據(jù)采 集、歸 檔 和文 檔管 理 通常是設(shè) 計(jì) 和開發(fā) 過程中 繁瑣而又必要的任務(wù)。4/5/6-PWR 配有一個(gè)報(bào)告生成 工具，在實(shí)踐中可以輕松編制測量結(jié)果文檔。

通過使用示波器的 “Save as”（另存為）功能，可以生成、 并在示波器屏幕上顯示指定布局的報(bào)告成品。

小結(jié)

通過結(jié)合使用 4/5/6-PWR 應(yīng)用與 5 系列 MSO 示波器， 工程師可以迅速進(jìn)行準(zhǔn)確的、可重復(fù)的測量，而且設(shè)置 時(shí)間非常短。最重要的是，他們不需要進(jìn)行手動計(jì)算， 示波器應(yīng)用完成了計(jì)算工作。通過使用截圖和報(bào)告，工 程師可以簡便地提供儀器設(shè)置方式、波形和測量結(jié)果等 完整的文檔。