电源需求的变化推动了切换电源系统的结构体系随着变化，因此能够测量和分析下一代切换式电源（SMPS）的功耗至关重要。为了支援更高的资料速度及GHz等级处理器的新型电源，需要更高的电流和更低的电压，在效率、功率密度、可靠性和成本方面对电源设计人员形成新的压力。为满足这些需求，设计人员正在采用新的结构，其中包括同步整流器、主动式功率因数校正和更高的切换频率。这些技术也带来了新的挑战，如切换装置上的高功耗、温度上升和EMI/EMC过高等影响。

了解这些影响的一个关键参数是在切换过程中发生的功率损耗。在从「off」状态转换到「on」状态的过程中，电源会发生更高的功率损耗。切换装置处于「on」或「off」状态时的功率损耗较低，因为经过装置的电流或经过装置的电压相当小。

与切换装置有关的电感器和变压器​​会隔离输出电压，并缓和负载电流。这些电感器和变压器​​还受到切换频率的影响，会导致功耗的发生，偶尔会由于饱和而发​​生故障。

由于切换电源中消耗的功率决定了电源整体效率及热量效应，因此测量切换装置及电感器和变压器​​上的功率损耗具有非常重要的意义，特别是在指出功率效率和温度上升方面。因此，工程师需要测量和分析装置能够在变化的负载条件下，迅速精确地测量并分析暂态功率损耗。

需要精确测量和分析不同装置暂态功率损耗的设计人员面临的挑战如下：

《图一 DPOPWR功率测量和分析软件在数字荧光示波器（DPOs）上运行》

目前，市场上已经出现了完善的功率分析软体，这种软体在最新一代数位萤光示波器上运作，如(图一)，与示波器使用者介面拥有共同的感观，提供了直观的导航能力和简便易用性。这种功率测量和分析应用软体可以帮助切换式电源设计人员在切换装置和电磁元件上精确执行功率损耗分析，并执行详细的输入/输出分析。这些软体的特点包括：

《图二 简化的切换式电源电路图》

本文将介绍如何使用配有相应功率测量软体的数位萤光示波器（DPO），对切换式电源应用中的主要参数进行必要的测量和分析。并说明如何使用这种功率测量和分析软体，以解决上述之挑战。

《图三 电压信号和电流信号的传输延迟》

精确测量功率损耗的测试设定

(图二)是切换式电源简化的电路图。由40kHz时脉驱动的金属氧化半导体场效电晶体（MOSFET）控制着电流。图二中的MOSFET没有连接到AC主接地或电路输出接地。因此，使用示波器进行简单的参考接地电压测量是不可能的，因为把探棒的地线连接到任何MOSFET端子上都会使通过示波器接地的该点短路。

进行差动测量是测量MOSFET电压波形的最佳途径。透过差动测量，可以测量泄极到源极电压 （VDS），其可能会位于几十伏到几百伏的电压顶部，具体电压取决于电源范围。

有几种方法可以测量VDS：

为测量经过MOSFET的电流，使用者先夹上电流探棒，然后微调测量系统。许多差动探棒拥有内置DC偏置微调器。关闭被测装置，待示波器和探棒充分「预热」后，示波器可用来测量电压和电流波形的平均值，并使用实际测量中将用到的灵敏度设定。不存在信号时，微调器把每个波形的平均值归零到0V，也降低了测量系统中静止电压和电流导致的测量误差。

《图四 图二所示的信号在自动偏移校正操作后的结果》

校正电压探棒和电流探棒传输延迟引起的错误

在切换式电源中进行任何功率损耗测量前，非常重要的一点是同步电压信号和电流信号，消除传输延迟的过程称为「偏移校正」。传统方法要求计算电压信号和电流信号之间的偏移，然后使用示波器的偏移校正范围手动调节偏移。但是，这种方法耗时非常长。

于是，透过使用配备偏移校正夹具和功率测量软体的高频宽数位萤光示波器，便可以简化这一过程。为校正偏移，差动电压探棒和电流探棒可以连接到偏移校正夹具的测试点上。偏移校正夹具通过示波器的辅助输出或校准输出信号驱动。在需要时，偏移校正夹具也可以透过外部来源驱动。功率分析软体的偏移校正功能将自动设定示波器，计算探测导致的传输延迟。然后，偏移校正功能使用示波器的偏移校正范围，针对偏移自动进行偏置。现在，测试设定准备就绪，可以进行精确测量。 (图三)和(图四)说明了偏移校正前和偏移校正后的电流信号和电压信号。

《图五 切换装置开机过程中的最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗》

计算非周期切换信号上的功率损耗

如果射极或泄极接地，那么测量动态切换参数非常简单。但是，在浮动电压下，必须测量差动电压。为精确检定和测量差动切换信号，需要一个差动探棒。霍尔效应电流探棒允许在不中断电路的情况下，察看流经切换装置的电流。可以使用功率分析软体的自动偏移校正功能，消除探棒引起的传输延迟。

软体中的「切换损耗」功能自动计算功率波形，透过测量切换装置的最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗，取得所需资料。然后，这些资料表示为接通损耗、断开损耗和功率损耗，如(图五)所示。这为分析装置上的功耗提供了有用的资料。知道开机和关机的功率损耗后，使用者可以调节电压和电流转换，降低功率损耗。

在负载变化期间，切换电源的控制回路会改变切换频率，驱动输出负载。 (图六)显示了切换负载时的功率波形。注意，在负载变化时，切换装置上的功率损耗也会变化。得到的功率波形具有非周期特点。

分析非周期功率波形可能是一件繁琐的任务。但是，功率分析软体的高级测量功能会自动计算最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗，提供与切换装置有关的更多资讯。

《图六 在负载变化期间的最小功率损耗、最大功率损耗和平均功率损耗》

在负载动态变化时分析功率损耗

在实际环境中，电源一直面临着动态负载。图六显示了切换时发生的功率损耗在负载变化期间也会变化。捕获整个负载变化事件、检定切换损耗至关重要，以保证其不会达到装置极限。

目前，大多数设计人员使用拥有深度记忆体（2Mbyte）和高取样速率的示波器，以要求的解析度来捕获事件。但是，这种方法带来了一个挑战，需要从切换损耗点分析数量庞大的资料。功率分析软体的HiPower Finder消除了分析深度记忆体资料的挑战。 (图七)是典型结果，(图八)则更进一步显示了采集的资料中的切换事件数量，以及最大切换损耗和最小切换损耗。然后，透过输入感兴趣的某个范围，可以察看希望的切换损耗点。使用者只需在范围内选择感兴趣的点，然后让HiPower Finder在深度记忆体资料中定位这个点。游标将连接请求的区域。在定位点时，可以使用软体，缩放游标位置周围的区域，更详细地察看活动情况。这与前面提到的切换损耗功能相结合，可以迅速高效地分析切换装置的功耗。

《图七 使用HiPower Finder的结果，显示了负载变化时切换装置上的功率波形》

计算电磁元件的功率损耗

降低功耗的另一种方式来自磁芯领域。从典型的AC/DC和DC/DC电路图中，电感器和变压器​​也会消耗功率，进而影响功率及效率，导致温度上升。

一般来说，该状况会使用LCR仪表测试电感器，LCR仪表会生成正弦波测试信号。在切换式电源中，电感器会传送高电压、高电流切换信号，这些信号不是正弦曲线。结果，电源设计人员必需监测实地电源中的电感器或变压器行为。使用LCR仪表进行测试可能并不能反映实际环境情况。

监测磁芯行为的最有效方法是使用B-H曲线，它会迅速显示电源中的电感器行为。功率分析软体可以在示波器上快速执行B-H分析，而不需昂贵的专用工具。

电感器和变压器​​在电源开机过程中，及在稳定状态下拥有不同的行为。在过去，为了察看和分析B-H特点，设计人员必须采集信号，在PC上进一步进行分析。透过示波器软体，现在可以在示波器软体上直接执行B-H分析，察看暂态电感器行为，如(图九)所示。

这种电磁分析功能还可在实际电源环境中自动测量功率损耗和电感值。为推导出电感器或变压器上的磁损耗，使用者只需测量主磁芯和次磁芯的功率损耗。这些结果的差异在于磁芯上的功率损耗。此外，在无负载条件下，主磁芯上的功率损耗是次磁芯上的总功率损耗，包括磁芯损耗。这些测量可以显示与功耗区有关的资讯。

《图八 使用HiPower Finder和示波器缩放，进一步进行分析》

《图九 采集波形的瞬间B-H图，显示光标链结》

总结

本文中介绍了功率测量和分析软体的主要特点，包括能够测量切换装置上的功率损耗、HiPower Finder功能和B-H分析，为在切换式电源上进行快速测量提供了适当工具。在使用数位萤光示波器时，该软体允许使用者迅速定位感兴趣的功耗区域，在动态情况下察看功耗的行为特点。

《图十 电感测量》

（作者为Tektronix太克科技示波器欧洲市场经理）

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