不只是一台示波器！电源分析插件你真的会用了吗？
品慧电子讯开关电源的质量直接影响到产品的技术性能以及其安全性和可靠性。电源测试项目多，计算量大，统计繁琐等问题一直困扰着工程师们，为了解决这些问题，今天就带您走进开关电源测试的新世界。
示波器电源测试分析主要实现使用示波器来对电源(开关电源)进行相关测试，提高电源开发人员的工作效率，方便对电源模块进行测试。主要涉及开关电源(AC/DC)有关测试。在大多数现代系统中，流行的DC电源结构是开关电源(SMPS)，这种电源因能够高效处理负载变化而闻名。
典型SMPS的电源信号路径包括无源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地减少了有损耗的元件的使用量，如电阻器和线性模式晶体管，重点采用(在理想条件下)没有损耗的元件，如开关式晶体管、电容器和磁性元件。其主要构成如图1所示。
图1 开关电源原理图
开关电源的测试参数主要包括输入端分析、输出端分析、磁性元件分析、开关器件分析、调制分析、环路分析等，如下表为进入电源分析测试界面后，对于各个测试功能的测试项目。首先我们先以最常见的开关损耗测试为例进行讲解。
一 开关损耗测试
1、测试原理
开关电源的开关器件总是工作在打开或关闭状态，可以提供更高的效率。理想情况下，开关器件打开和关闭是没有损耗的。如图2所示。
ON = 完全导通(理想情况下 V = 0，意味着开关损耗 P = V x I = 0)
OFF = 完全关闭(理想情况下 I = 0，意味着开关损耗 P = V x I = 0)
图2 理想开关器件
但现实情况中，是在存功率损耗的。主要包括开关损耗，传导损耗。如下图3所示。
图3 实际损耗
针对功率损耗主要计算主要包括三部分之和：
导通过程损耗+关闭过程损耗+导通损耗
Ploss=Pon+Poff+Pcond
2、测试步骤
开关元件分析的接线示意图如下图4所示。其中通道1使用高压差分电压探头接开关的两端，通道2使用电流探头接开关的一端
图4 开关元件接线示意图
调节好电流探头和电压探头的探头比率后，点击【Analyze】进入电源分析测试界面，在【功能】中选择【开关损耗】点击【参数配置】进入参数设置界面，如下图5所示。参数设置用于判定开关的状态，需要进行设置的参数有电压通道、电流通道、参考电压、参考电流和导通计算选择。
图5 开关损耗参数设置
计算结果表格如图6所示。
图6 开关损耗测量结果
● 当前值：该行结果为当前样本的计算结果。
● 最大值、最小值和平均值：统计结果，可以使用Clear进行清除并重新开始统计。
● 功率最大统计项(P)：瞬时功率最大值。
● 能量最大统计项（E）：与瞬时功率对应的能量，其时间是一个采样间隔。
● 功率平均值统计项(P)：整个样本平均功率。
有的工程师会问了，这么多的功率值我主要参考哪个值呢？小编建议是以当前值为参考值哦。
图7 dv/dt 或 di/dt 效果图
其中：黄色为dv/dt，绿色为di/dt。
参考电压——用来识别导通状态。当电压值小于波形最大电压的参考电压百分比时，认为该状态为导通状态。
参考电流——用来识别关闭状态。当电流值小于波形最大电流的参考百分比时，认为该状态为关闭状态。
参考电压和参考电流一般设置为默认值就可以。
二 环路分析
环开关电源的环路分析，可以测量系统的增益、相位随频率变化的曲线(伯德图)，分析系统的增益余量与相位余量，以判定系统的稳定性；在被动器件的阻抗分析中，环路分析可以观察电容、电感的高频阻抗曲线，测量电容ESR等。环路分析的一个重要作用就是分析开关电源的稳定性。
1、测试原理
扫频测试原理主要是给开关电源电路注入一个频率变化的正弦信号，测量开关电源在频域上的特性，通过分析穿越频率、增益裕度和相位裕度来判断环路是否稳定，可以为电子工程师设计稳定的控制电路提供直观的数据。另外，环路分析也有单频点测试功能。利用伯德图可以看出在不同频率下系统增益的大小和相位，如图8所示。
图8 伯德图及相关参数
伯德图相关参数有：
● 穿越频率：增益为 0dB 时对应的频率；
● 相位裕度：增益为 0dB 时对应的相位差；
● 增益裕度：相位为 0°时对应的增益差。
系统的稳定性可以通过伯德图中的相位余量，增益余量，穿越频率来衡量。
系统开发期间，研发人员可以在开发前期使用系统仿真软件Saber、PSIM、simplis上面进行环路电路的设计和模拟，在开发的中后期，则可以使用ZDS3000/4000系列示波器的环路分析功能进行实际的环路电路特性的验证和改进。
2、测试步骤
开关电源实际上是一个包含了负反馈控制环路的放大器，会放大交流信号并对负载变化作出反馈响应。为了完成控制环路响应测试，需要把一个扰动信号（一定幅度和频率范围的扫频正弦波信号或单一频点正弦波信号）注入到控制环路的反馈路径中。这个反馈路径就是指R1和R2的电阻分压器网络。我们需要把一个阻值很小的注入电阻插入到反馈环路中，才能注入一个扰动信号。
例如下图9所示的注入电阻为5Ω，注入电阻与R1和R2串联阻抗相比是微不足道的。所以，用户可以考虑把这个低阻值注入电阻器作为长久使用的测试器件。另外还需要使用一个隔离变压器来隔离这个交流干扰信号，从而不产生任何的直流偏置。由于实际的注入和输出的电压一般都很小，因此信号注入端建议使用BNC头转夹子的线缆进行信号注入，并且使用X1的探头进行注入端和反馈端的信号测量。
环路功能的同步环路测试时，需要使用致远电子环路测试配套的信号发生模块与ZDS3000/4000系列示波器相连，通过示波器控制信号发生模块配合生成需要的频率信号，环路测试信号接线图如图9所示。
图9 环路测试信号接线
同步环路测试的实物连接图如图10所示，该图中使得一根BNC线缆连接ZDS3000/4000系列背部的触发输出端与信号发生模块，信号发生模块的输出再用BNC线缆连接到隔离变压器，隔离变压器的输出通过BNC转夹子的线缆，将信号注入到被测板的注入电阻两端，然后用两根衰减比为X1的探头，测量注入端与输出端的信号。
图10 环路测试实物连接
3、参数设置
点击示波器面板上【Analyze】键，再点击【环路测试】按钮，进入环路测试功能菜单。点击【参数设置】按钮，会弹出参数设置窗口，旋转旋钮A可选择参数，短按旋钮A后可进行参数修改，其中包括【参数设置】、【滤波设置】和【同步设置】。如图11所示：
图11 参数设置菜单
环路功能的运行可以点击菜单的【运行停止】测试启动后，界面会切换到环路扫频运行的界面，功能会根据当前采样到的频率、相位差、增益，不断地绘制出频率与相位、频率与增益的动态曲线，其中，蓝色曲线为增益曲线，橙色曲线为相位曲线。如图12所示：
图12 扫频测试运行中
4、界面说明
ZDS3000/4000系列环路分析功能拥有独特的扫频分析操作界面，对测试操作和用户体验进行了创新性地设计，如图13所示：
图13 环路测试扫频界面
包含有如下区域：
● 扫频波形显示区域：蓝色曲线为增益曲线，橙色曲线为相位曲线，PM/GM 信息显示在右上角，可通过旋钮 B 进行滚动查看每个测量点，并可放大显示；
● 快捷操作触摸按钮区域：这个区域拥有一排快捷操作按钮，触摸点击操作，例如可以载入校准参数，可以切换增益和相位曲线的显示方式；
● 增益相位垂直刻度：显示当前增益曲线和相位曲线的垂直刻度，在扫频运行过程中，功能会自动调节垂直刻度，以满足变化的曲线显示范围。在扫频结束后，用户可以自己手动修改垂直档位和范围。
● 存储通道操作区域：功能可支持存储8组之前的扫频曲线，方便进行测试之间的对比。可对每组存储通道进行显示隐藏、重命令、导入导出等操作。
5、结果分析
过扫频曲线伯德图，可以直观地看到整个频率范围内的增益和相位变化趋势，方便观察和分析，做到心中有数。实测电源的扫频曲线如图13所示，增益裕量（GM）和相位裕量（PM）信息显示在扫频界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB时的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值。PM和GM是衡量开关电源稳定的一个重要指标。
本文转载自ZLG立功科技。
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