泰克示波器進行電源測量和分析

4 系列 B MSO 提供了 FlexChannel? 輸入及新型圖形用 戶界面，設計人員可以一次測試多個測試點，從而加快測 試速度。高級功率測量和分析選項 (4/5/6-PWR) 為關鍵 功率測量自動完成設置過程，并提供了多種工具，根據電 源設計指標和標準評估測試結果。本應用指南將概括介紹怎樣使用泰克4系列B MSO示波器及4/5/6-PWR 功 率分析軟件進行重要的電源測量。

準備電源測量

為進行準確測量，必須正確設置功率測量系統，精確地捕 獲波形，進行分析和調試。要考慮的重要課題有：

消除電壓探頭和電流探頭之間的時延

消除探頭偏置

對電流探頭消磁

消除電壓探頭和電流探頭之間的時延

在使用示波器進行功率測量時，必需測量經過被測器件 的電壓及流經被測器件的電流。這項任務要求兩只單獨 的探頭：一只電壓探頭（通常是高壓差分探頭）和一只電 流探頭。每只電壓探頭和電流探頭都有自己的傳播延遲 特性，這些波形中產生的邊沿可能并沒有對準。電流探頭 和電壓探頭之間的延遲差稱為時延，會導致幅度和定時 測量不準確。

泰克 4 系列 B MSO 可以補償從探頭尖端到測量系統的 延遲，確保進行最準確的定時測量。您可以手動校正探頭 時延，把探頭連接到相同的波形源，然后把延遲加到較 快信號的信號路徑中，這樣就可以在時間上對準信號，而 不必以物理方式在較短的探頭電纜中增加電纜長度。 

4 系列 B MSO 還提供了單鍵“靜態”時延校正功能。示波器從探頭中讀取標稱傳播延遲，計算出兩 只探頭之間的延遲差約為 1.48 ns。您只需按 OK，Deskew 按鈕就會調節 信號之間的相對定時。

消除探頭偏置

差分探頭可能有很小的電壓偏置。這個偏置可能會影響 精度，應先消除這個偏置后再繼續測量。大多數差分電 壓探頭有內置 DC 偏置調節控制，因此去除偏置相對簡 單。

對電流探頭消磁

消磁功能會消除變壓器磁芯中任何殘留的 DC 流量，這 可能是由大量的輸入電流引起的。這種殘余流量會導致 偏置誤差，應消除這種誤差，提高測量的準確度。

泰克 TekVPI 電流探頭提供了一個消磁警告指示燈，會警 告用戶執行消磁操作。消磁警告指示燈非常重要，因為電 流探頭會隨著時間推移產生漂移，可能會明顯影響測量。

輸入分析

工頻測量表征設計對輸入變化、設計吸收的電流和功率 以及設計的工頻電流失真的反應。某些測量如功耗是關 鍵指標。其他測量如功率因數和諧波，可能會有法規限 制。

功率質量測量

在 4/5/6-PWR 中，功率質量測量是一套標準功率測量。 它們通常在 AC 線路輸入上執行，但也可以應用到器件的 AC 輸出上，如功率逆電器。這些測量包括：

頻率

RMS 電壓和電流

波峰因數 ( 電壓和電流 )

有功率、無功功率和視在功率

功率因數和相位

進行測量

通過使用差分探頭測量系統的工頻電壓，使用電流探頭 測量系統的工頻電流，可以簡便地進行功率質量測量。也 可以使用相同的設置，來測量電流諧波。

測量結果

頻率：電壓波形的頻率，單位為 Hz

VRMS：顯示的電壓波形的均方根值

IRMS：顯示的電流波形的均方根值

電壓波峰因數：電壓的峰值幅度除以電壓的 RMS 值

電流波峰因數：電流的峰值幅度除以電流的 RMS 值

有功率：測量的系統的實數功率，單位為瓦特 (W)

無功功率：臨時存儲在電感或電容單元中的虛數功率，用 Volt-Amperes-Reactive (VAR) 表示

視在功率：測量的復合功率的絕對值，單位為伏安 (VA)

功率因數：有功率與視在功率之比

相位：有功率與視在功率之間的角度，單位為度

諧波

當非線性器件使流入電路的電流失真時，就會發生電流 諧波。線性電路只在基礎工頻吸收電流，但非線性電路 在基礎頻率的倍數上吸收電流，每個諧波有不同的幅度 和相位。

在電流與諧波流經配電系統的阻抗時，會產生電壓失真。 熱量會在線纜和變壓器中積聚，在連接到電網的開關電 源數量提高時，電網上的諧波失真也會提高。

進行測量

使用差分電壓探頭測量工頻電壓，使用電流探頭測量工頻電流。

測量結果

Results 標簽顯示了選擇的諧波標準、基礎諧波和三階諧波幅度、THD-F、THD-R、RMS 值和通過 / 未通過狀態。

可以選擇各個諧波，測量值在結果標簽、柱狀圖和結果表之間鏈接起來。

諧波表包括：

選擇的諧波標準

諧波數和頻率

幅度 (RMS)：諧波測得的 RMS 幅度值，單位為 dBμA 或 A

幅度 (%)：相對于基礎頻率的諧波測得幅度

相位：相對于頻率基準的諧波相位，單位為度

極限：指定標準規定的諧波極限

狀態：預一致性測試通過 / 失敗狀態

裕量：實測值與極限之差

電流諧波可以用分貝微安 (dBμA) 或安培 (A) 為單位顯示

浪涌電流和輸入電容

通常，浪涌電流會在首次通電時出現。電源轉換器在其 輸入電容充電時會汲取相對較高的電流。初始浪涌之后， 除非發生其他系統變化，否則電流將維持在穩定狀態。 浪涌電流測量可提供有關電源設計的重要信息，包括保 護器件的尺寸。在極端情況下，浪涌電流會導致交流線 路電壓驟降。

浪涌電流和輸入電容直接相關，且兩者均可提供重要的 詳細信息，讓工程師充分了解電源轉換器的啟動特性。

開關分析

電源開關階段的測量確認轉換器是否正確運行，量化損 耗來源，確認器件在正常范圍內工作。

開關損耗測量

在各種物理電容器和寄生電容器充電時，會發生開通損 耗，電感器會產生磁場，會發生相關的瞬態電阻損耗。 同樣，在開關電源關斷時，即使市電已經拔下，仍會有能 量放電并與各種元件交互，因此也會發生損耗。

進行測量

為了進行開關損耗測量，示波器必須測量經過開關上的 電壓和流經器件的電流。開關損耗結果如圖 11 所示。

測量結果

Ton：每個周期開通功率和能量損耗值的均值

Toff：每個周期關斷功率和能量損耗值

Total：每個周期總平均功率損耗和平均能量值

左右箭頭按鈕可以遍歷開關周期，放大查看問題區域

還可以在結果表中查看測量數據。這個表格會顯示所 有開關周期的累積測量結果，迅速進行復核。

進行測量

在電源中運行晶體管時，確定晶體管的 SOA 的主要 挑 戰之一，是在各種負載場景、溫度變動和工頻輸入電壓 變化下準確地捕獲電壓和電流數據。4/5/6-PWR 自動實 現數據捕獲和分析，簡化了這一任務。測量要求探測開 關晶體管上的電壓和流經的電流。

測量結果

在設置完成后，會顯示 SOA 測試 結果，如圖 14 所示。電壓和電流波 形在 XY 模式下在一條記錄中繪制。示圖顯示了一個采集周期的所有 數據。

結果標簽顯示了器件落在 SOA 模板外面的次數，給出了測試通過 / 未 通過結果。

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 AC 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 線圈的電壓。電流探頭則測量流經變壓器的電流。然后 示波器和功率測量軟件可以自動計算磁性功率損耗。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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 勵 施 加到電源 的 輸 入 端。此 測 量 需 要 直 流＋交 流 網 絡求 和 裝 置，例 如 Picotest 的 J2120A 線路注入器。

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。

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）。

輸出分析

必須評估任何 DC 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 DC 輸出上的 AC 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。

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。

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 (AC 或 DC）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（High 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。

一旦測量配置完畢，會顯示結果，如圖 26 所示。

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。

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。

 顯示了擁有 1 個輸入和 3 個輸出的 AC-AC 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。我們測量（在本例中仿真）了每個輸入和輸出的電壓和電流：

Ch 3: 輸入電壓

Ch 4: 輸入電流

Ch 7: 輸出 1 電壓

Ch 8: 輸出 1 電流

Math 3: 輸出 2 電壓

Math 4: 輸出 2 電流

Math 6: 輸出 3 電壓

Math 7: 輸出 3 電流

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 

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。 

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。 

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 “Save as”（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。

小結

通過結合使用 4/5/6-PWR 應用與 5 系列 MSO 示波器， 工程師可以迅速進行準確的、可重復的測量，而且設置 時間非常短。最重要的是，他們不需要進行手動計算， 示波器應用完成了計算工作。通過使用截圖和報告，工 程師可以簡便地提供儀器設置方式、波形和測量結果等 完整的文檔。