“開關(guān)”與“損耗”

人類社會(huì)要向著高效、節(jié)能、環(huán)保的方向前進(jìn)，離不了開關(guān)電源技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展。開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS)，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。

在社會(huì)需求的推動(dòng)下，開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。我們周圍各種各樣的電子產(chǎn)品，都蘊(yùn)含了這一技術(shù)：變頻空調(diào)、變頻熒光燈、冰箱、馬達(dá)、音響和UPS等。這些電子產(chǎn)品的主控板都有微處理器，微處理器主要用來判斷負(fù)載條件，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。除了微處理器以外，主控板上還有許多電容、濾波器、變壓器、功率模塊等器件以及驅(qū)動(dòng)電路。

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▲ 驅(qū)動(dòng)電路框圖

通常功率電子電路包括功率電路和控制電路，功率電路由功率器件(MOSFET、IGBT等)、電感和電容等組成，控制電路是用來控制驅(qū)動(dòng)電路的。

▲功率電路與控制電路框圖

這些電路中，利用半導(dǎo)體器件的高速開關(guān)動(dòng)作控制電壓和電流輸出等的電路就叫開關(guān)電路。使用開關(guān)電路的電源，稱作開關(guān)電源 (開關(guān)器件通常采用MOSFET等)。目前市面上的 AC-DC, DC-DC和 DC-AC轉(zhuǎn)換器等都是開關(guān)電源。它的發(fā)展很大程度上取決于功率半導(dǎo)體器件(MOSFET, IGBT等)的發(fā)展。毫不夸張地說，沒有開關(guān)器件就沒有開關(guān)電源。而我們要測試開關(guān)損耗，就是要評(píng)價(jià)這些半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)電路上的功率參數(shù)。

1開關(guān)電路具有幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：

- 小巧、輕便、高效

- 在較寬的電壓和電流輸出范圍內(nèi)仍具有較高的精度

- 負(fù)載變化時(shí)仍能保持較好的穩(wěn)定性

2開關(guān)電源的研發(fā)需要重點(diǎn)解決的幾個(gè)問題包括：

-減少開關(guān)損耗

-提高可靠性(確認(rèn)ASO)

-EMC(抑制諧波電流和減少噪聲)

-降低成本

橫河混合信號(hào)示波器DLM3000的電源分析功能可以針對功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行評(píng)價(jià)，是解決這些問題強(qiáng)有力的工具。準(zhǔn)確測量開關(guān)波形并計(jì)算開關(guān)損耗，對于改良產(chǎn)品使用壽命、優(yōu)化電源效率是極其重要的手段。

開關(guān)損耗測量方法

施加在開關(guān)半導(dǎo)體器件上的電壓會(huì)很高而且是浮地的，用數(shù)字示波器觀測這種波形性時(shí)需要選用差分探頭。使用示波器測量和計(jì)算開關(guān)損耗通常用差分探頭測量漏源極電壓(Vds)，電流探頭測量漏電流(ID) 。

根據(jù)開關(guān)器件工作過程的不同，開關(guān)損耗可定義如下：

開關(guān)打開過程的功耗：開啟損耗 (T1-T2)

開關(guān)關(guān)閉過程的功耗：關(guān)閉損耗 (T3-T4)

每個(gè)周期的損耗：總平均損耗 (T1-T4)

開啟損耗定義如下：

DLM3000根據(jù)U Level、I Level的設(shè)置決定損耗分析的區(qū)間，分成“開關(guān)” 區(qū)間(TurnOn,TurnOff)、損耗計(jì)算區(qū)間(On)三個(gè)部分分別計(jì)算。

測試范圍是兩條T Range光標(biāo)指定的范圍內(nèi)，中間電平與電壓波形交叉點(diǎn)為基準(zhǔn)周期計(jì)算，多個(gè)周期的也能進(jìn)行測試。

周期內(nèi)零損耗區(qū)間與計(jì)算結(jié)果無關(guān)，只作為(零損耗)來分析。

損耗計(jì)算時(shí)間(ON)：電壓波形低于中間電平后波形低于"U Level",到波形高于中間電平之前波形高于"U Level"之間的時(shí)間。

零損耗時(shí)間：在相應(yīng)損耗計(jì)算時(shí)間和下一個(gè)損耗計(jì)算時(shí)間之前，從波形經(jīng)過損耗計(jì)算時(shí)間中點(diǎn)后，電流波形首次低于"I Level"電平開始，到波形經(jīng)過中點(diǎn)之后首次超過"I Level"電平之間的時(shí)間。

開關(guān)時(shí)間：除以上兩個(gè)時(shí)間區(qū)域以外的時(shí)間。Turn on時(shí)間是電流波形上升時(shí)間，Turn off時(shí)間是電流波形下降的時(shí)間。

通道去延遲方法

由于測量電壓/電流使用不同類型的探頭,會(huì)對波形造成時(shí)間偏移，測量結(jié)果明顯偏高或偏低，而器件的開關(guān)速度越快，偏移的影響就越明顯。偏移校正夾具可以直接校正電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)間偏移。其基本原理是夾具產(chǎn)生一組相位差為零的電壓和電流的脈沖信號(hào)同時(shí)作用在電壓和電流探頭上，通過示波器觀察脈沖信號(hào)經(jīng)過探頭后的時(shí)間偏移，并在示波器上校正偏移時(shí)間。

導(dǎo)通損耗測量方法

導(dǎo)通狀態(tài)下由于開關(guān)管導(dǎo)通電阻R(on)很小，通常毫歐級(jí)別，導(dǎo)通狀態(tài)下能量損耗相對較小，Vds較小，考慮到示波器8bit的分辨率，大量程下誤差超過實(shí)際電壓值，因此使用常規(guī)UI測量方式誤差非常大。

DLM3000的電源分析功能針對導(dǎo)通狀態(tài)下小電壓測量困難的問題，給出了三種導(dǎo)通損耗測量選項(xiàng)，可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的運(yùn)算方式。

① U×I ：使用測量值（U,I）

② RDS(on)×I2：使用開關(guān)器件導(dǎo)通電阻(RDS(on))以及測量值(I）

③ VCE(sat)×I：開關(guān)器件集電極-發(fā)射級(jí)飽和電壓VCE(sat)以及測量值(I)

（下期預(yù)告：高階版應(yīng)用——開關(guān)損耗測試的歷史存儲(chǔ)和周期統(tǒng)計(jì)）

審核編輯 黃宇