今天的電源設(shè)計人員和測試工程師都在努力尋找非常小的漸進(jìn)改良方案,，來提高功率轉(zhuǎn)換效率,，或降低設(shè)計中的損耗,。這要求能夠準(zhǔn)確評估和測量非常小的性能提高。

幾乎在功率轉(zhuǎn)換器的每個部分都存在損耗源,，關(guān)鍵區(qū)域通常包括開關(guān)半導(dǎo)體,、磁性元件和整流器。即使性能只改進(jìn)了幾個百分點(diǎn),，甚至是不到百分之一,，可能也會具有重大的意義。而為了準(zhǔn)確評估和測量這么小的性能提高,，異常準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要,。

大多數(shù)示波器都帶有10X衰減無源探頭，因?yàn)檫@種探頭適合在各種各樣的應(yīng)用中進(jìn)行測量,。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz,，一般能夠測量高達(dá)幾百伏的電壓。當(dāng)然使用通用探頭進(jìn)行功率測量也是可以的,，但與這些專為功率應(yīng)用設(shè)計的探頭相比,，其不可能提供所需的精度，來推動改善功率轉(zhuǎn)換性能,。

信號靈敏度

我們看一下通用探頭存在短板的實(shí)例,。在電源設(shè)計和測量中，一個常見的挑戰(zhàn)是把噪聲與紋波電壓隔開,。在本例中,，我們要使用通用10X探頭探測3.3 V電源。問題在于,， 10X探頭沒有提供足夠的靈敏度,，觸發(fā)波形中存在的周期噪聲。這些探頭非常適合許多通用電子測量,，因?yàn)樗鼈兲岣吡耸静ㄆ鞯碾妷悍秶?，提供了相對較高的帶寬。

然而,，為了測量幾十毫伏的小信號,， 1:1 (1X)探頭會是更好的選擇，因?yàn)樗鼘?dǎo)致的信號衰減不大,，不會把信號向下推進(jìn)到示波器的噪底,。遺憾的是，這種靈敏度優(yōu)勢被它的帶寬劣勢抵消了,，其帶寬通常只有15 MHz左右,。如果這種帶寬對測量不夠,，那么最好使用無源2X探頭,。

事實(shí)證明,，在這種應(yīng)用中，2X探頭是正確的選擇,?？匆幌聢D1中的波形。黃色軌跡是10X探頭,，它調(diào)整到每格10 mV的最低垂直設(shè)置,；藍(lán)色波形是2X探頭?？梢园?X探頭調(diào)節(jié)到每格2 mV的最低垂直設(shè)置,。由于電源輸出會產(chǎn)生3 mV紋波的信號，因此很明顯,，10X衰減的探頭不太適合這種測量,。

圖1. 使用2X探頭(藍(lán)色軌跡)和10X探頭(黃色軌跡)測量3.3 V電源。

差分測量

上面討論的紋波測量,，只是電源設(shè)計和調(diào)試中能夠安全高效地使用單端（參考地電平）探頭的諸多應(yīng)用中的一種,。但許多功能轉(zhuǎn)換測量要在浮動環(huán)境中完成，這些應(yīng)用中是不能參考地電平的,。

圖2指明了沒有綁到接地,，要求差分測量技術(shù)的多種常見的功率轉(zhuǎn)換測量：

MOSFET上的漏極到源極電壓(VDS)

續(xù)流二極管上的二極管電壓

電感和變壓器電壓

未接地的電阻器中的電壓降

圖2. 推/拉功率轉(zhuǎn)換器上的部分差分測量點(diǎn)。

可以通過多種方式執(zhí)行差分測量,，包括：

·使用兩只單端探頭,，計算電壓差

·使用帶有專門設(shè)計的浮動輸入的示波器

·選擇與測量最匹配的差分探頭

使用兩只單端探頭

一種常用技術(shù)是使用兩只單端探頭，每只探頭的地線接地,，并在被測元件的兩側(cè)尖端,，如圖3所示。然后把示波器設(shè)置成顯示通道1和通道2之差,。這有時稱為 “A-B”,，它使用示波器中的數(shù)學(xué)運(yùn)算來顯示兩條通道的電壓差。在需要進(jìn)行差分測量,，但沒有合適的測試設(shè)備時,，工程師有時會使用這種技術(shù)。

圖3. 使用兩只單端探頭進(jìn)行準(zhǔn)差分測量,。

這種方法有幾個問題,。只有在探頭和示波器通道非常匹配時（包括增益、偏置,、延遲和頻響）,，這種方法才會得到很好的測量結(jié)果。該方法不能提供非常好的共模抑制（清除兩個輸入共有信號的任何AC部分或DC部分）。此外,，如果兩個信號沒有正確定標(biāo),，可能會出現(xiàn)示波器輸入過載的情況，得到錯誤測量結(jié)果,。

使用浮動輸入

我們也可以使用“浮動”示波器,。這些示波器的每條輸入通道在電氣上與機(jī)箱接地隔離，然后示波器使用電池供電,。示波器機(jī)箱到接地的寄生電容也非常低,。浮動示波器的這些隔離特點(diǎn)，可以使用一只絕緣的無源探頭來進(jìn)行差分測量,。這些儀器非常方便,，使用簡便，效果好,。但是,，差分電壓探頭的電容較低，要求高度平衡,。

**匹配的差分探頭 **

為獲得最好的測量精度,，使用技術(shù)指標(biāo)與測量任務(wù)相匹配的差分探頭通常是最佳的選擇。差分探頭是有源器件,。它們在探頭尖端有一個專門設(shè)計的差分放大器,，只測量經(jīng)過兩個測試點(diǎn)的電壓，而不管任一測試點(diǎn)和接地之間的電位是多少,，這就大大簡化了探測任務(wù),，消除了某些可能的誤差來源。另外,，由于它們只測量差分電壓,，因此它們還可以忽略并清除可能存在的共模AC擺幅或DC偏置電壓。

由于被測器件(DUT)不同部分的測量可能有著完全不同的要求,，因此必須審慎地選擇探頭,。在圖4所示的實(shí)例中，手邊的任務(wù)是測量被測電源MOSFET開關(guān)器件的開機(jī)損耗,、關(guān)機(jī)損耗以及傳導(dǎo)損耗,。圖4是帶有測量點(diǎn)TP1和TP2的MOSFET的簡化示意圖。

圖4. 帶有多個測試點(diǎn)的MOSFET的簡化示意圖,。

被測器件是一種“通用”電源,，設(shè)計為從世界各國的AC線路（或“市電”）電壓供電。僅此一項(xiàng),，就給工程師的測試要求及測試設(shè)備提出了多項(xiàng)要求：

·這種器件的額定輸入電壓一般在80 VAC ~ 250 VAC或更寬,。為表征全球各種輸入電壓下的性能，不僅要執(zhí)行一項(xiàng)測量，還要在多種輸入電壓下執(zhí)行一系列測量,。這適用于被測試的每個性能參數(shù),。開關(guān)特點(diǎn)(及相應(yīng)損耗)預(yù)計在每個輸入電壓上都不同，可能不會以線性方式變化,。這不僅提高了要執(zhí)行的測量總數(shù)，還需要在測量之間實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性,。

·由于輸入供電電壓高達(dá)250 VAC,，開關(guān)MOSFET中漏極和源極之間的電壓預(yù)計會達(dá)到354 V或更高。探測解決方案必需擁有足夠的通用性,，來測量這些電壓以及在某些測試中還要能夠測量低得多的電壓,。

被測電源的開關(guān)速率為250 kHz。根據(jù)測量帶寬常用的5倍法則,，這相當(dāng)于要求1.25 MHz的測量帶寬,。但這是現(xiàn)實(shí)世界信號速度的簡化版，因?yàn)殚_關(guān)器件的實(shí)際上升時間預(yù)計會超過它一個量級,。同樣,，可能還要考察尖峰、瞬態(tài)信號和其他噪聲,。如果要測量上升時間為幾十納秒的信號,，那么探頭的上升時間應(yīng)在幾納秒。為在這個應(yīng)用實(shí)例中準(zhǔn)確地進(jìn)行測量,，測量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)在350 MHz或更高,。

小結(jié)

選擇最好的探頭與應(yīng)用關(guān)系密切，因此必須了解應(yīng)用的測量要求,，確保探頭與工作完全適應(yīng),。對許多功率電子測量來說，差分探頭是一個明確的選擇,，特別是沒有參考地電平的測量,。對參考地電平的測量，單端探頭是一個很好的選擇,，但注意不要使用10X探頭,，以免過度衰減小信號。對低壓信號,，如紋波,，最好使用1X探頭或2X探頭。

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關(guān)于作者Wilson Lee現(xiàn)任泰克科技公司高級市場經(jīng)理,。在加入泰克科技公司之前,，Wilson擁有超過25年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，先后擔(dān)任技術(shù)市場、技術(shù)銷售主管等職位,，如CTS電子元器件公司等制造商,，以及Richardson RFPD和Premier Farnell等技術(shù)/增值分銷商。Wilson一直專注于RF/無線,、工控電源,、工控自動化等細(xì)分市場內(nèi)部的設(shè)計工作。

Wilson從康奈爾大學(xué)獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位,。While在從業(yè)期間先后居住在紐約,、芝加哥和亞洲，目前常住美國俄勒岡州大波特蘭,。