運用泰克示波器4系列B MSO進行磁性分析和電頻率響應分析

磁性分析

電感器和變壓器用來為開關電源及線性電源中的存儲器件加電。某些電源還在輸出上，在濾波器中使用電感器。 考慮到其在功率轉換器中的重要作用，表征這些磁性器 件對確定電源的穩定性和整體效率具有至關重要的作 用。

4/5/6-PWR中的磁性分析功能自動完成以下幾組測量: 電感、磁性損耗和b-h參數。

電感

電感器的阻抗會隨著頻率提高，較高頻率的阻抗要高 于較低頻率的阻抗。這種特點稱為電感，單位用亨利為 表示可以使用配備功率分析軟件的示波器自動測量器。 件的電感。

進行測量

4/5/6-PWR應用對測量期間的電壓求積分，然后除以電 流變化，計算出電感值。它探測經過磁性器件的電壓及 流經磁性器件的電流，來進行測量。電感測量結果與圖 14中多種其他測量一起顯示。黃色 (Ch1) 波形是經過 電感器的電壓，青色波形 (Ch2) 是流經電感器的電流。 另外還顯示了b-h曲線。

測量結果

電感:器件或電路的電感值

磁性損耗

分析磁性功率損耗是全面分析開關電源損耗的基本組 成部分。兩種主要磁性損耗是磁芯損耗和銅纜損耗。銅。 纜線圈的電阻會在電源中產生銅纜損耗磁芯損耗與磁。 芯中的漩渦電流損耗和磁滯損耗有關。磁芯損耗與DC 通量無關，但受到交流通量擺幅和工作頻率的影響。

進行測量

4/5/6-PWR能夠計算單線圈電感器、多線圈電感器、甚 至變壓器中的磁性損耗。

在單線圈變壓器中，會連接一只差分探頭，測量經過主 然后線圈的電壓。電流探頭則測量流經變壓器的電流。 示波器和功率測量軟件可以自動計算磁性功率損耗然。 后會顯示磁性功率損耗結果，如圖1所示.

測量結果

功率損耗:由于磁性元件導致的總功率損耗

磁學屬性 (b-h曲線)

磁性通量密度B指磁場的強度，單位為特斯拉，它決定 著磁場在運動電荷上施加的力。磁場強度或場強H指磁 化力，單位為A/m。材料的磁導率m的單位為H/m，衡 量的是材料由于應用的磁場而產生的磁化程度。

磁長和磁芯周圍的線圈數等物理特點有助于確定磁性 材料的B和H。B-H曲線圖通常用來檢驗開關電源中磁 性成分的飽和度(或匱乏度)，用來衡量磁芯材料單位 容量中每個周期損耗的能量繪圖。繪圖會針對場強H繪 制磁性通量密度B的曲線。由于B和H都依賴磁性元 件的物理特點，如磁長和磁芯周圍的線圈數，因此這些 曲線決定著元件磁芯材料的性能包絡。

圖1. 電感器上的磁性測量。Ch1( 黃色 ) 波形是經過電感器的電壓，Ch2( 青色 ) 波形是流經電感器的電流。B-H曲線在顯示器中心 顯示。電感、磁性損耗和磁學屬性顯示在右面的結果標簽中。

進行測量

為生成b-h圖，要測量經過磁性元件的電壓和流經的 電流。在變壓器中，主要是經過初級線圈和次級線圈的 電流。必須先在配置面板中輸入電感器的圈數 (N)、磁長 (l) 和磁芯的橫截面面積 (Ae)，然后功率分析軟件就可以 計算b-h曲線圖。

高壓差分探頭連接到示波器的通道1上，經過變壓器的 初級線圈。測得的這個電壓是磁性元件中磁感應B的結 果。通道2使用電流探頭測量流經初級線圈的電流。如 果需要，電流探頭還用來測量流經通道3和通道4上次 級線圈的電流。然后功率分析軟件使用示波器通道2、3、 4的數據計算磁化電流，然后使用磁化電流值，確定H 成分。

磁學屬性結果如圖1所示。

測量結果

△ b: 通量密度變化。

△ h: 場強變化。

磁導率:材料的磁化程度。

Bpeak:磁性元件中感應的最大磁性通量密度。

Br:曲線上H = 0，且B仍為正值的點，這稱為元件的 剩磁，是衡量元件頑磁性的一個指標。剩磁越高，材 料保留磁化的程度越高。

Hc:曲線上B = 0、且H是負值的點。這代表著導致B 達到零所要求的外部場。這個H值稱為抗磁力。抗磁 力小，意味著元件可以簡便地去磁。

Hmax:H軸和磁滯環橫截面上H的最大值。

紋波:電流的峰峰值。

圖2.隔離變壓器 / 注入變壓器用于將接地信號源與浮動注入電阻隔離。

頻率響應分析

控制環路頻率響應

控制環路頻率響應分析(通常稱為伯德圖)有助于分析 電源控制回路的頻率響應特性伯德圖表示在一定頻率。 范圍內計算出的反饋環路的增益和相位偏移，進而提供 有關控制環路速度和電源穩定性的重要信息這可以使。 用矢量網絡分析儀(VNA)進行測量，但還可以使用示 波器和函數發生器進行測量。

為了測量電力系統的響應，必須將已知信號注入反饋回 路。對于此測量，使用4/5/6系列MSO中的任意波形/ 函數發生器(AFG)選配來產生指定頻率范圍內的正弦波。 直流 - 直流轉換器或LDO必須在其反饋回路中配置一 個較小的(5-10Ω)注入電阻器 / 終端電阻器，以便將來 自函數發生器的干擾信號注入回路中。

在注入電阻兩端連接一個在具有寬頻寬范圍內具有平 坦響應的注入變壓器，并將接地信號源與電源隔離。 Picotest J2101A注入變壓器的頻率范圍為10Hz 45MHz，與4/5/6系列MSO的函數發生器選配吻合。 建議使用低電容、低衰減的無源探頭(例如TPP0502) 進行電壓測量。這樣可以在6系列MSO上以500 μ v/div 的垂直靈敏度進行測量，在4/5系列MSO上以1 mV/div 的垂直靈敏度進行測量。

圖3.起始和終止頻率、振幅和10倍頻率范圍的頻率點數決 定了發生器將注入控制環路的激勵。

圖4.振幅自定義曲線可用于改善測量的信噪比(SNR)。此 方法支持在DUT對干擾敏感的頻率上應用較低的振幅，而在 DUT對干擾不太敏感的頻率上應用較高的振幅。

建立連接后，配置激勵掃描。4/5/6-PWR軟件支持恒定 振幅和振幅自定義掃描恒定振幅掃描在所有頻率下均。 維持相同的振幅振幅自定義掃描支持在定義的頻帶指。 定不同的振幅振幅自定義掃描可用于改善測量的信噪。 比(SNR)。

圖5.軟件計算的增益(綠色跡線)為20 log(Vout/Vin)。紅色軌跡表示注入信號和輸出之間相對于 -180 ° 的相位偏移。在增益曲線 跨過0dB時測量相位裕度(PM)。當相位曲線跨過零度標記時測量增益裕度(GM)。該表顯示了各頻率的增益和相位。

相位裕度是在增益交叉頻率處測量，該增益交叉頻率會 出現在增益圖跨過0 db時。相位圖上的對應點給出了 相位裕度。

增益裕度是在相位交叉頻率處測量，該相位交叉頻率會 出現在相位跨過 -180度時。相位是相對于 -180進行繪 制，因此顯示為零交叉。在此相位交叉頻率處的相應增 益值給出了增益裕度。

圖6.PSRR圖顯示了在電源輸出端上的交流(施加至輸入端)衰減。

電源抑制比(PSRR)

電源抑制比表示電源能夠防止其輸入 上的交流噪聲出現在其直流輸出上的 能力。為了執行PSRR測試，將掃描正 弦激測量勵施加到電源的輸入端的此。 需要直如流 + 交流網絡求和裝置例 Picotest的J2120A線路注入器。

圖7.線路注入器用于將來自函數發生器的交流電激勵加入電源的直流輸入。

4/5/6-pwr軟件可自動進行掃描，并 測量每個頻率的輸入輸出信號此軟件。 會以20 Log(Vin/Vout)計算頻帶內 每個頻率上的衰減比，并在顯示器上繪 制測量值。

圖8阻抗測量設定。電源軌探頭在直流和50Ω 交流輸入阻抗下可提供高靈敏度和高阻抗，以實現低負載。或者，可以使P6150探 頭(如果有)或使用帶直流阻隔的SMA電纜。

阻抗測量

分析配電網絡的阻抗有助于確定系統內噪聲的影響阻。 抗曲線表示特定頻帶上的阻抗值。DUT可能是PDN(包 括電路板走線和電容器)的組合阻抗，或者是組件或子 系統、例如穩壓器模塊(VRM)。

阻抗測量通常使用VNA執行，但是典型的VNA無法在 低頻下進行測量或測量 <10m Ω 的低阻抗值。基于示波 器的系統可以量測低至1hz的頻率。基于示波器的解 決方案還可以在掃描過程中同時顯示來自DUT的輸入 和輸出信號，因此可以觀察到時域變化。

示波器還具有在執行分析時顯示時域波形(包括激勵信 號和響應)的好處。若使用VNA，則無法使用這些功能。

若要執行測量，必須將接地示波器與DUT隔離。在圖8所示的示例系統中，Picotest J2113A差動式放大器 變壓器可用于此目的50 Ω 功率分配器用于將信號從函 數發生器發送到DUT和示波器上的通道1。

圖9阻抗與頻率測量圖。曲線具有三個峰值，表示阻抗值隨頻率變化而變化。目標是生成一張平坦的阻抗圖，其中的任何峰值 均低于目標阻抗。游標可用于測量曲線上的任意點。

輸出分析

必須評估任何直流電源輸出的穩定性和噪聲。5-PWR高 級功率測量和分析軟件為量化和分類紋波提供了多種工 具。

工頻紋波和開關紋波

簡而言之，紋波是疊加到電源直流輸出上的交流電壓，用 正常輸出電壓的百分比或峰峰值電壓表示。

電源輸出上顯示兩類紋波:工頻紋波度量的是與工頻頻 率有關的紋波，開關紋波度量的是根據確定的開關頻率 從開關電源輸出檢測到的紋波數量。

輸出工頻紋波通常是工頻頻率的兩倍，開關紋波則一般 與噪聲耦合，在kHz頻率范圍內。把工頻紋波與開關紋 波分開，是電源表征中最大的挑戰之一。功率分析軟件 大大簡化了這項任務。

進行測量

只需使用一只電壓探頭，就可以測量系統的紋波。差分 探頭必須連接到系統的輸出上，才能測量輸出工頻和開 關紋波電壓。

圖10.  4/5/6-PWR的工頻紋波配置標簽。

工頻紋波和開關紋波的配置標簽(參見圖25)非常像。 這兩種紋波測量都要求選擇輸入耦合 (交流或直流) 模式、 要求的帶寬限制 (20mhz、150/250mhz或全帶寬)及 示波器的采集模式 - 采樣、峰值檢測或高分辨率 (高 Res)。在工頻紋波測量中，必須確定系統的工頻頻率: 50 hz或60 hz或400 hz。開關紋波測量要求開關頻 率指標。

如圖會顯示結果一旦測量配置完畢所示26日.

圖11.使用4/5/6-PWR測量開關紋波。

測量結果

峰峰值和RMS紋波值:這些是系統工頻或開關紋波的 峰峰值和RMS電壓。

圖12.使用5-PWR進行效率測量。

效率

器件或產品效率高，是當今激烈競爭的市場環境中決定成敗的一個關鍵因素。高級功率測量和分析軟件可以簡便地 測量功率轉換 (ac-dc，ac-ac，dc-dc，dc-ac) 產品的效率。對擁有最多3個輸出的功率產品，高級功率測量和分析 軟件使得設計人員可以立刻測試整個系統的效率，加快測試和驗證速度。

圖12顯示了擁有1個輸入和3個輸出的交流-交流轉換器上的效率測量結果，其中使用演示電路板和數學信號仿真多 輸出器件。

注意上例中使用了自定義標簽，識別起來非常簡便。應 用軟件根據需要自動創建數學功率波形在上面的實例。 中、這些波形都是自動創建的:

Ch3: 輸入電壓

Ch4: 輸入電流

Ch7: 輸出1電壓

Ch8: 輸出1電流

Math1: 輸入1功率

Math2: 輸出1功率

Math5: 輸出2功率

Math8: 輸出3功率

圖14效率測量配置允許用戶配置信號類型及最多3個輸出。

應用會計算被測器件的各種效率和總效率，在結果標簽 中顯示。還可以打開結果表，用。MHT或PDF格式保存 報告。

圖15

導通時間

導通時間是施加輸入電壓后達到電源輸出電壓所需的時間。一個通道用于測量輸入，示波器的任何剩余通道可用于 測量輸出。這樣可以在一次采集中測量多個電源軌。

圖16.

關斷時間

關斷時間是移除輸入電壓后使電源的輸出電壓接近于零所需的時間。

交流 - 直流和直流 - 直流導通時間測量技術可擴展至驗證多路輸出電源的通 電和斷電順序。

在導通和關斷期間，電源輸出的時序和順序關系著最終產品是否能可靠運作， 以及保證裝置不間斷正常運行。設計人員將會關注如何調整其終端裝置，如 UPS在指定時間內回到穩定狀態。例如，電池充電后以連續的方式產生直 流輸出，而逆變器系統則連續充電至交流干線中。如果電源中斷，則電池會 為逆變器供電。關斷時間很重要，這樣電池才能在指定的時間內啟動。

生成報告

數據采集、歸檔和文檔管理通常是設計和開發過程中 繁瑣而又必要的任務。4/5/6-PWR配有一個報告生成 工具，在實踐中可以輕松編制測量結果文檔。

通過使用示波器的 “另存為”(另存為)功能、可以生成、 并在示波器屏幕上顯示指定布局的報告成品。

圖17報告以。MHT或。PDF文件格式提供。