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1、 使用桌上型示波器進行電源供應器 量測和分析 應用摘要 引言 電源供應器存在於許多不同的電子裝置中， 包括兒童玩具、電腦和辦公室設備到工業設備。這些電源供應器是用來轉換電力的形式，以讓裝置正常運作。常見的電源供應器為 AC 轉 DC 轉換器或 DC 轉 DC 轉換器，前者將交流電壓改變為穩壓直流電壓，後者將電池電力轉換為所需的電壓位準。 電源供應器的範圍， 涵蓋傳統線性供應器到高效率的切換式電源供應器 (SMPS)，後者是專為複雜的動態作業環境設計。裝置上的電力負載，在每種情況下會有大幅變化，即使是便利型的切換式電源供應器，也必須能夠承受遠超過其平均操作位準的突峰負載。 設計電源供應器的工程師
2、，或是使用電源供應器的系統，必須瞭解其電源供應器在從靜態到最壞情況下的反應。 應用摘要 2 圖 1. 使用 DPOxPWR 功率分析軟體進行特性分析的 SMPS 元件 在過去，描述電源供應器的反應，表示著需使用數位萬用電錶量測靜態電流和電壓，並以計算機或電腦進行艱深的運算。今日，大部分的工程師偏好使用示波器來作為功率量測工具。 本應用摘要將說明，使用 Tektronix MSO/DPO4000 或MSO/DPO3000 系列示波器進行常見的切換式電源供應器量測，如圖 1 所示。有了選購的功率量測與分析軟體 (DPOxPWR)，這些示波器便能提供自動化的功率量測功能，以快速分析並簡化設定，並對
3、探棒進行偏移校正，使量測達到最高的準確度。 電源供應器量測準備動作 電源供應器理想上應確實如設計和模型運作。但實際上，元件並不會完全相同；負載會變化、線路功率可能失真、環境變化會改變效能。對提高效能、改善效率、縮小體積和降低成本的需求，讓電源供應器設計變得更為複雜。 鑑於這些設計挑戰，必須正確設定量測系統，以精確擷取波形進行分析及疑難排除。以下為幾項需考量的重要主題： 示波器擷取模式 消除電壓與電流探棒間的偏移 消除探棒偏移 電流探棒消磁 限頻濾波器 線電壓 VIN VOUT 輸入濾波 切換裝置控制電路PWM 調變分析 整流器與濾波器 漣波 反饋輸出電壓電源品質 諧波分析 總諧波失真切換損耗
4、安全工作區 di/dt、dv/dt使用臺式示波器進行電源測量和分析 3 圖 2. 取樣模式 圖 3. 平均模式 圖 4. 高解析度模式 示波器擷取模式 示波器的擷取模式，控制著電氣訊號取樣、處理和顯示的方式。所產生的波形點為儲存於記憶體中的數位值，並顯示出來以建構波形。大部分示波器支援不同的擷取模式，所選擇的擷取模式，可能會影響到功率量測的準確度。瞭解擷取模式的運作方式，以及擷取模式對波形和確保功率量測的影響，是非常重要的。 每部示波器都提供了取樣模式，這是最簡單的擷取模式。如圖 2 所示，示波器在每個波形間隔，儲存一個取樣點以建立波形點 (波形間隔如圖 1、2、3 和 4 所示)。對於需要
5、對非重複性訊號進行多次擷取的量測，例如漣波和雜訊分析，建議採用取樣模式。 大部分示波器製造商所提供的另一種擷取模式為平均模式。在平均模式中，如同取樣模式，示波器會在每個波形間隔儲存一個取樣點。但是在平均模式中，還會將連續擷取產生的對應波形點一起平均，產生如圖 3 所示的最後顯示波形。平均模式可在不損耗頻寬的情況下減少雜訊，但必須是重複性訊號。在進行諧波分析或電源品質分析量測 (例如實功率、虛功率和視在功率) 時，平均模式特別有用。 Tektronix 也提供高解析度模式。在這個模式中，會將單次波形間隔內所產生的多次連續取樣一起平均，從單次擷取產生如圖 4 所示的單一波形點。這使得頻寬和雜訊減少
6、了，而使低速訊號的垂直解析度提高。在啟動電源供應器進行調變分析，並以單次擷取蒐集資料時，高解析度特別有用。高解析度可提高切換損耗等量測的準確度，這種量測是以數學計算值等瞬間功率為基礎。 取樣模式 平均模式 高解析度模式 應用摘要 4 圖 5. 電壓與電流探棒間的預設時脈偏移 消除電壓與電流探棒間的偏移 若要使用數位示波器進行功率量測，必須量測通過待測裝置的電壓與電流。這項工作需要兩支不同的探棒：電壓探棒 (通常是高壓差動式探棒) 與電流探棒。每支電壓探棒和電流探棒都有自己特殊的傳輸延遲，這些波形中產生的邊緣，更有可能不會自動對準。電流探棒與電壓探棒間的延遲差異 (也就是偏移)，會導致不準確的
7、振幅與時序量測。由於電力為電壓與電流的產物，瞭解探棒的傳輸延遲對最大峰值功率和區域量測所造成的影響變得更加重要。如果電壓與電流訊號未完全對齊，結果就會不正確。 圖 6. 電壓探棒與電流探棒間的時脈偏移額定校正 Tektronix MSO 和 DPO 系列示波器提供了偏移校正功能，可消除探棒間的偏移。選擇 Deskew (偏移校正) 功能表時，會顯示資訊方塊，說明探棒型號、額定傳輸延遲、各通道建議的偏移校正和實際的偏移校正。在圖5 中電壓與電流波形有大約 8 ns 的偏移，一旁的資訊方塊並顯示出各探棒的傳輸延遲。TDP1000 (Tektronix 差動式電壓探棒) 具有 6.5 ns 的額定傳
8、輸延遲，TCP0030 (Tektronix 電流探棒) 則具有 14.5 ns 的額定傳輸延遲，兩者相差 8 ns。 若要校正這些探棒間的偏移，只要選擇如圖 6 所示的Set all deskews to recommended values(將所有偏移校正設定為建議值) 螢幕按鈕即可。選擇此選項可將探棒的實際偏移校正值，調整為建議的偏移校正值。建議的偏移校正值是以探棒的額定傳輸延遲為根據，這項數值儲存於探棒的內部記憶體中 (假設探棒具備TekVPI 功能，通常支援自動探棒偏移校正)。 使用臺式示波器進行電源測量和分析 5 圖 7. Tektronix 偏移校正脈衝產生器和偏移校正夾具 圖
9、 9. 具消磁/自動歸零功能的 Tektronix TCP0030 AC/DC 電流探棒 選擇Set all deskews to recommended values(將所有偏移校正設定為建議值)，探棒的額定傳輸延遲差會非常接近正確的偏移校正值，但仍未能精確地對齊波形。為了精確地對齊波形以達成最高的量測準確度，需要TEK-DPG (偏移校正脈衝產生器) 和偏移校正夾具。 圖 8. 手動消除電壓探棒與電流探棒間的時脈偏移 TEK-DPG 為圖 7 中所示的功率量測偏移校正夾具 (Tektronix 零件編號 067-1686-XX)，提供了信號源訊號。當探棒連接到偏移校正夾具時，可手動調整 A
10、ctual Deskew (實際偏移校正)，變更偏移校正值，以精確對齊波形。圖 8 顯示 TDP1000 探棒的Actual Deskew (實際偏移校正) 值已從 6.5 ns 到 7.18 ns 調整了 680 ps，以達成最高的準確度。 消除探棒偏移 差動式探棒往往會有稍許電壓偏移，這會影響準確度，因此必須在進行量測前消除偏移。大部分的差動式電壓探棒具有內建的DC偏移調整控制，這讓消除偏移成為相當簡單的程序。 在進行量測前，也可能需要調整電流探棒。電流探棒的偏移調整，是將 DC 平衡歸零為 0 安培平均值，或盡可能接近這個數值。TekVPI 功能探棒 (例如 TCP0030 AC/DC
11、電流探棒) 擁有內建的自動消磁/自動歸零程序，只要在探棒補償盒上按個鈕即可執行。 應用摘要 6 圖 10. 連接TDP1000的MSO/DPO4000系列示波器所提供的限頻濾波器 消磁 電流探棒應包含簡易的消磁功能。消磁可去除變壓器核心任何殘留的直流磁通，這種直流磁通可能由大量輸入電流造成，這種殘留磁通會導致輸出偏移錯誤，必須消除以提高量測的準確度。 Tektronix TekVPI 電流探棒提供消磁警告指示燈，可以警示使用者進行消磁作業。由於電流探棒可能會有大量的漂移時間，影響量測的準確度，因此消磁警告指示燈是非常有用的功能。 限頻濾波器 限制示波器的頻寬，會從顯示的波形移除雜訊或不想要的
12、高頻內容，產生更純淨的訊號。MSO/DPO 系列提供內建的限頻濾波器，如圖 10 所示。在某些情況中，探棒也可能配備限頻濾波器。 在使用這些濾波器時，使用者應小心注意，因為 n 次諧波中包含的高頻內容，可能會在量測中移除。例如，如果量測 1 MHz 訊號，並評估至第 40 個諧波，至少需要40 MHz 的系統頻寬。將限頻濾波器設定為 20 MHz (如圖 10 中範例所示的為可用選項)，會減少這項量測所需的頻寬內容。 電源供應器量測 一旦正確設定量測系統，即可開始進行功率量測的工作。常見的功率量測可分為三大類：輸入分析、切換裝置分析與輸出分析。 輸入分析 真實世界的電力線從未供應理想的正弦波，
13、電力線上永遠都存在一些失真與雜質訊號。切換式電源供應器對電源而言是屬於非線性負載。因為這個原因，電壓和電流的波形不會一樣。針對部分輸入週期所描繪的電流，導致輸入電流波形上產生諧波。分析電源供應輸入的關鍵量測為： 諧波 電源品質 使用臺式示波器進行電源測量和分析 7 圖 11. DPOxPWR 諧波分析 諧波 切換電源供應器容易產生主要為奇數級的諧波，諧波會返回電力網絡。隨著越來越多的切換式電源供應器連接到電力網絡 (例如辦公室增加更多桌上型電腦)，其效應是累積性的，回到電力網絡的諧波失真總百分比可能會增加。既然失真會導致電力網絡中的佈線和變壓器產生熱能，因此必須將諧波減到最小。像是 IEC6
14、1000-3-2等規格標準，是用來監控來自特定非線性負載的電源品質。 判定這些失真的效果，是電力工程中相當重要的一部分，使用示波器而非萬用電錶的效益重大。儀器系統必須能夠擷取高達基本頻率第 50 個諧波的諧波元件。電源線頻率通常為 50 Hz 或 60 Hz；雖然某些軍事和航空電子應用的電源線頻率可能為 400 Hz。也應一提的是，訊號偏差可能包含具備更高頻率元件的頻譜元件。基於現代示波器的高取樣率，可擷取快速變動事件的更詳細細節 (解析度)。相對的，傳統的功率錶因為反應時間相對較慢，因此會忽略訊號的細節。 圖 12. DPOxPWR 電源品質量測 進行諧波分析和進行一般的波形量測一樣容易。由
15、於此處的訊號為重複的週期性波形，因此只要觸發並顯示訊號即可。至少應該顯示 5 個週期波形以確保良好的頻率解析度，而垂直刻度的設定，應讓訊號盡可能散佈到顯示畫面上越多的垂直分格，以達成示波器最理想的動態範圍。 圖 11 顯示電源供應器負載電流的諧波分析結果。在Display (顯示) 功能表中，可選擇對特定諧波進行量測。在此處的範例中，選擇了第 5 個諧波。使用者可選擇以表格或圖表檢視結果，也可選擇是否要檢視All, Odd, or Even(所有、奇數或偶數) 諧波。諧波可以CSV 檔案形式儲存到 USB 儲存裝置或 CF 記憶卡上。也會顯示相對於基本和 RMS 值的總諧波失真 (THD) 值。在分析是否符合 IEC61000-3-2 和 MIL-STD-1399等標準 (隨附於 DPOxPWR 功率應用軟體) 時，這些量測很有幫助。 電源品質 電源品質不只受到電力產生器的影響，也取決於電源供應器和終端使用者的電力負載。電源供應器的電源品質特性定義了電源供應器的健全度，並決定了非線性負載造成的失真效應。如圖 12 所示，DPOxPWR 功率應用軟體為下列自動量測提供了結果表：VRMS和 IRMS、電壓與電流波峰因數、實功率、虛功率、視在功率和功率因數。 應用摘要 8 圖 13. 對 IGBT 進行的 DPOxPW
