如何利用示波器有效辅助开关电源设计
2013/11/15 9:45:27
Q1：开关电源输出电压的纹波是一个重要的指标，如何正确使用示波器来测量这个指标？
A1：纹波的定义是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，英文称为 PARD (Periodic And Random Deviation）。它的定义是杂波的峰峰值。测量纹波要注意的事项：
示波器探头地线会带来很大纹波，应该拔掉地线直接使用探头内地线进行测量。当然，最好的测量方法是使用50欧姆终端电阻，用BNC电缆直接联结到示波器，这里应该注意该50欧姆电阻要考虑功耗，可能要大功率电阻。
相关的标准要求，比如是否要分出周期性工频纹波和开关纹波，高频噪声等。再比如，测量频率是否要限制在20MHz以下。
Q2：开关电源总会有电磁辐射，同时越有可能受到其他电器设备的干扰。怎样做才能达到期即不受其他电器的干扰，又有效地方志器向外辐射呢？
A2：开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起的电磁兼容性问题是相当复杂的。从整机的电磁兼容性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种。电磁兼容产生的三个要素为：干扰源、传播途径及受干扰体。共阻抗耦合主要是干扰源与受干扰体在电气上存在共同阻抗，通过该阻抗使干扰信号进入受干扰对象。线间耦合主要是产生干扰电压及干扰电流的导线或PCB线，因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在，产生的感应电场对受干扰体产生的耦合。磁场耦合主要是大电流的脉冲电源线附近产生的低频磁场对干扰对象产生的耦合。而电磁波耦合，主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，对相应的受干扰体产生的耦合。实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。
从电磁兼容性的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性，可从三个方面入手。1）减小干扰源产生的干扰信号；2）切断干扰信号的传播途径；3）增强受干扰体的抗干扰能力。在解决开关电源内部的电磁兼容性时，可以综合运用上述三个方法，
以成本效益比及实施的难易性为前提。对开关电源产生的对外干扰，如电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等，只能用减小干扰源的方法来解决。一方面，可以增强输入输出滤波电路的设计，改善有源功率因数校正（APFC）电路的性能，减少开关管及整流续流二极管的电压电流变化率，采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理。而对外部的抗干扰能力，如浪涌、雷击应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力。通常，对1.2/50μs开路电压及8/20μs短路电流的组合雷击波形，因能量较小，可采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决
减小开关电源的内部干扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几个方面入手：
注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确区分、数字电路与模拟电路电源的正确去耦；
注意数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻干扰、减小地环的影响；
布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串扰；减小地线阻抗；减小高压大电流线路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容电路所包围的面积；
减小输出整流电路及续流二极管电路与直流滤波电路所包围的面积；减小变压器的漏电感、滤波电感的分布电容；采用谐振频率高的滤波电容器等。
TEK推出的功率测试方案就可以对电流谐波按EN61000-3-2标准进行预先一致性测试。
Q3：开关电源在低温下启动（如：－20℃以下）有什么特殊的要求吗？
A3：关键是器件选择的温度范围。比如电容、MOSFET、二极管等等。
Q4：如何精确的去测试开关电源的纹波与噪音？在测试Ripple & noise时是不是要在专门的实验室才可以,因为实验中的其它设备对它的影响都比较大在TDS430中应如何去设定呢？
A4：当然如果您有专门的实验室进行纹波测量是最理想的。在不具备这个条件的时候应当注意的问题有：
示波器应该有良好的接地。
如果您的测量标准有带宽限制的要求，应该打开TDS430A中的20MHz带宽限制，
使用示波器的交流耦合
使用BNC电缆，并用TDS430A的50欧姆输入阻抗档进行测量（这时您可能需要50欧姆的大功率负载，BNC适配器或者制作测试夹具）
为提高测量精度，不应该使用示波器的探头，示波器探头的地线会引入比较大的噪声。
Q5：在AC/DC开关电源中能否用示波器进行功率因数测量？如何进行测量？
A5：其实使用示波器测量功率因数就是测量电压与电流之间的相位差即cosφ，同时泰克TDS5000功率测试系统也自动对PFC的相关参数进行测量(如：THD,True Power,Apparent Power,Power Factor等)。
Q6：用泰克示波器的FFT功能可以看到开关电源的辐射的频率及幅度，但是这里面的幅度的值与认证中心的值的概念是一样吗？假如不是，怎样转换？而且我还发现，假如在看波形时选不同的V/DIV，在FFT状态下有不同的幅度？正常吗？---我用的型号是TDS1012。
A6：使用示波器的FFT功能测得的幅值只能作为定性的分析，而不能作为定量的分析，因此只具备参考价值，若希望对频谱幅度进行分析可选择Blackman-Harris窗口,这样效果会好一些；当转换V/div时一定会对FFT的幅值产生影响，因为这是受到示波器本身的ADC的分辨率限制，所以我们为了希望提高测量精度，一般会选择将波形尽可能占满整个屏幕（但决不能超出屏幕），也就是选择较小的V/div档位。
Q7：在设计软开关PWM变换器时（如PWM半桥开关变换器），怎样用示波器观察MOSFET Vt/It 轨迹？
A7：首先你的示波器要有通道间的时延校正功能，这样进行相关数??算时才能保证基本的准确性。你使用高压差分电压探头及电流探头测量。TEK推出的功率测试方案中就可以动态的观察MOSFET的整个工作过程。
Q8：请问输出电容和输出电感的选择应该根据负载的供电需求确定，那对于L和C值都应该按照datasheet上的确定的公式套用吗？如果按照公式推算出来的值在实际应用中出现了问题，那么我们应该根据什么来更换呢？
A8：不同拓朴的输出扼流圈及输出滤波电容的计算公式是不同的，你应该按你所选的电路结构选择合适的计算公式。输出电容的大小主要由输出纹波电压要抑制为几毫伏决定，这就要计算出ESR，然后可按厂家提供的DATASHEET选择。但选电容时还要考虑负载的变化，电流变化范围，输出电感感量等等都会使电容特性改变。
Q9：在开关电源的设计中常会遇到的棘手问题是效率问题。而整机的效率很大程度上取决与开关管的损耗，在我们的电路和器件选定后，开关管的开关波形测量很重要，可以根据它的数据来判断和改善开关工作状态。那么在利用示波器进行这项测试时应该如何正确操作和注意那些问题呢？
A9：开关电源中有两大主题：提高效率和提高可靠性。效率就要测损耗，损耗主要集中在开关管和磁性元件上。为此我们应该通过示波器测量开通损耗、截止损耗、导通损耗，同样的对变压器和电感能测量其磁芯损耗、动态电感。TEK的TDSPWR2能做到这些工作。
Q10：在实际工作中，当碰到突发的毛刺信号，请问如何捕捉和测试？
A10：比如我们在进行时钟测试时，经常会碰到偶发毛刺信号，该信号将会对我们的电路产生误动作，因此捕获该信号成为测试的关键，由于事先我们无法判断该毛刺为正还是为负，因此我们须先利用TDS5000示波器的数字荧光功能即快速波形捕获模式结合无限余辉查看毛刺特征，然后利用示波器的高级触发功能——脉宽触发依照信号特征，如：小于正常时钟脉冲宽度触发。
Q11：反激式开关电源有没有一种比较通用的变压器参数计算方法。在反栍式开关电源电源用一种变压器算法，总是需要再进行好多次的调整。
A11：变压器的设计虽然通过理论计算，但因为磁芯，绕制方法等的差异性，仍需要多次试验调整。一般是先计算原边电感,跟拒输出功率来选磁芯材料与骨架尺寸，然后跟拒手册确定一些如磁芯截面积等参数等单端设计变压器就是要让磁芯的磁通复位。
Q12：功率因数是如何测量的？某个模块的转换效率是如何测量的？
A12：功率因数：在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。你所说的这些问题的测量,TEK的功率测试系统都可以轻松的完成自动测量。
Q13：在高频端，如何判断示波器探头本身的阻抗对信号的影响？
A13：示波器的探头都有特定的指标，您可以参照探头的等效阻抗－频率图确定探头在您的频率点的等效阻抗。
Q14：请问有无办法利用示波器测出高频变压器或电感磁芯的工作情况？例如磁芯的工作磁通密度Bw？
A14：TEK推出的功率测试方案里就有一项功能,B-H曲线的分析,它能反应磁芯的工作状态,它还能测出动态电感值，并得出磁
A1：纹波的定义是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，英文称为 PARD (Periodic And Random Deviation）。它的定义是杂波的峰峰值。测量纹波要注意的事项：
示波器探头地线会带来很大纹波，应该拔掉地线直接使用探头内地线进行测量。当然，最好的测量方法是使用50欧姆终端电阻，用BNC电缆直接联结到示波器，这里应该注意该50欧姆电阻要考虑功耗，可能要大功率电阻。
相关的标准要求，比如是否要分出周期性工频纹波和开关纹波，高频噪声等。再比如，测量频率是否要限制在20MHz以下。
Q2：开关电源总会有电磁辐射，同时越有可能受到其他电器设备的干扰。怎样做才能达到期即不受其他电器的干扰，又有效地方志器向外辐射呢？
A2：开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起的电磁兼容性问题是相当复杂的。从整机的电磁兼容性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种。电磁兼容产生的三个要素为：干扰源、传播途径及受干扰体。共阻抗耦合主要是干扰源与受干扰体在电气上存在共同阻抗，通过该阻抗使干扰信号进入受干扰对象。线间耦合主要是产生干扰电压及干扰电流的导线或PCB线，因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在，产生的感应电场对受干扰体产生的耦合。磁场耦合主要是大电流的脉冲电源线附近产生的低频磁场对干扰对象产生的耦合。而电磁波耦合，主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，对相应的受干扰体产生的耦合。实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。
从电磁兼容性的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性，可从三个方面入手。1）减小干扰源产生的干扰信号；2）切断干扰信号的传播途径；3）增强受干扰体的抗干扰能力。在解决开关电源内部的电磁兼容性时，可以综合运用上述三个方法，
以成本效益比及实施的难易性为前提。对开关电源产生的对外干扰，如电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等，只能用减小干扰源的方法来解决。一方面，可以增强输入输出滤波电路的设计，改善有源功率因数校正（APFC）电路的性能，减少开关管及整流续流二极管的电压电流变化率，采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理。而对外部的抗干扰能力，如浪涌、雷击应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力。通常，对1.2/50μs开路电压及8/20μs短路电流的组合雷击波形，因能量较小，可采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决
减小开关电源的内部干扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几个方面入手：
注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确区分、数字电路与模拟电路电源的正确去耦；
注意数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻干扰、减小地环的影响；
布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串扰；减小地线阻抗；减小高压大电流线路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容电路所包围的面积；
减小输出整流电路及续流二极管电路与直流滤波电路所包围的面积；减小变压器的漏电感、滤波电感的分布电容；采用谐振频率高的滤波电容器等。
TEK推出的功率测试方案就可以对电流谐波按EN61000-3-2标准进行预先一致性测试。
Q3：开关电源在低温下启动（如：－20℃以下）有什么特殊的要求吗？
A3：关键是器件选择的温度范围。比如电容、MOSFET、二极管等等。
Q4：如何精确的去测试开关电源的纹波与噪音？在测试Ripple & noise时是不是要在专门的实验室才可以,因为实验中的其它设备对它的影响都比较大在TDS430中应如何去设定呢？
A4：当然如果您有专门的实验室进行纹波测量是最理想的。在不具备这个条件的时候应当注意的问题有：
示波器应该有良好的接地。
如果您的测量标准有带宽限制的要求，应该打开TDS430A中的20MHz带宽限制，
使用示波器的交流耦合
使用BNC电缆，并用TDS430A的50欧姆输入阻抗档进行测量（这时您可能需要50欧姆的大功率负载，BNC适配器或者制作测试夹具）
为提高测量精度，不应该使用示波器的探头，示波器探头的地线会引入比较大的噪声。
Q5：在AC/DC开关电源中能否用示波器进行功率因数测量？如何进行测量？
A5：其实使用示波器测量功率因数就是测量电压与电流之间的相位差即cosφ，同时泰克TDS5000功率测试系统也自动对PFC的相关参数进行测量(如：THD,True Power,Apparent Power,Power Factor等)。
Q6：用泰克示波器的FFT功能可以看到开关电源的辐射的频率及幅度，但是这里面的幅度的值与认证中心的值的概念是一样吗？假如不是，怎样转换？而且我还发现，假如在看波形时选不同的V/DIV，在FFT状态下有不同的幅度？正常吗？---我用的型号是TDS1012。
A6：使用示波器的FFT功能测得的幅值只能作为定性的分析，而不能作为定量的分析，因此只具备参考价值，若希望对频谱幅度进行分析可选择Blackman-Harris窗口,这样效果会好一些；当转换V/div时一定会对FFT的幅值产生影响，因为这是受到示波器本身的ADC的分辨率限制，所以我们为了希望提高测量精度，一般会选择将波形尽可能占满整个屏幕（但决不能超出屏幕），也就是选择较小的V/div档位。
Q7：在设计软开关PWM变换器时（如PWM半桥开关变换器），怎样用示波器观察MOSFET Vt/It 轨迹？
A7：首先你的示波器要有通道间的时延校正功能，这样进行相关数??算时才能保证基本的准确性。你使用高压差分电压探头及电流探头测量。TEK推出的功率测试方案中就可以动态的观察MOSFET的整个工作过程。
Q8：请问输出电容和输出电感的选择应该根据负载的供电需求确定，那对于L和C值都应该按照datasheet上的确定的公式套用吗？如果按照公式推算出来的值在实际应用中出现了问题，那么我们应该根据什么来更换呢？
A8：不同拓朴的输出扼流圈及输出滤波电容的计算公式是不同的，你应该按你所选的电路结构选择合适的计算公式。输出电容的大小主要由输出纹波电压要抑制为几毫伏决定，这就要计算出ESR，然后可按厂家提供的DATASHEET选择。但选电容时还要考虑负载的变化，电流变化范围，输出电感感量等等都会使电容特性改变。
Q9：在开关电源的设计中常会遇到的棘手问题是效率问题。而整机的效率很大程度上取决与开关管的损耗，在我们的电路和器件选定后，开关管的开关波形测量很重要，可以根据它的数据来判断和改善开关工作状态。那么在利用示波器进行这项测试时应该如何正确操作和注意那些问题呢？
A9：开关电源中有两大主题：提高效率和提高可靠性。效率就要测损耗，损耗主要集中在开关管和磁性元件上。为此我们应该通过示波器测量开通损耗、截止损耗、导通损耗，同样的对变压器和电感能测量其磁芯损耗、动态电感。TEK的TDSPWR2能做到这些工作。
Q10：在实际工作中，当碰到突发的毛刺信号，请问如何捕捉和测试？
A10：比如我们在进行时钟测试时，经常会碰到偶发毛刺信号，该信号将会对我们的电路产生误动作，因此捕获该信号成为测试的关键，由于事先我们无法判断该毛刺为正还是为负，因此我们须先利用TDS5000示波器的数字荧光功能即快速波形捕获模式结合无限余辉查看毛刺特征，然后利用示波器的高级触发功能——脉宽触发依照信号特征，如：小于正常时钟脉冲宽度触发。
Q11：反激式开关电源有没有一种比较通用的变压器参数计算方法。在反栍式开关电源电源用一种变压器算法，总是需要再进行好多次的调整。
A11：变压器的设计虽然通过理论计算，但因为磁芯，绕制方法等的差异性，仍需要多次试验调整。一般是先计算原边电感,跟拒输出功率来选磁芯材料与骨架尺寸，然后跟拒手册确定一些如磁芯截面积等参数等单端设计变压器就是要让磁芯的磁通复位。
Q12：功率因数是如何测量的？某个模块的转换效率是如何测量的？
A12：功率因数：在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。你所说的这些问题的测量,TEK的功率测试系统都可以轻松的完成自动测量。
Q13：在高频端，如何判断示波器探头本身的阻抗对信号的影响？
A13：示波器的探头都有特定的指标，您可以参照探头的等效阻抗－频率图确定探头在您的频率点的等效阻抗。
Q14：请问有无办法利用示波器测出高频变压器或电感磁芯的工作情况？例如磁芯的工作磁通密度Bw？
A14：TEK推出的功率测试方案里就有一项功能,B-H曲线的分析,它能反应磁芯的工作状态,它还能测出动态电感值，并得出磁
