運(yùn)用泰克示波器4系列B MSO進(jìn)行磁性分析和電頻率響應(yīng)分析

磁性分析

電感器和變壓器用來為開關(guān)電源及線性電源中的存儲(chǔ)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(zhuǎn)換器中的重要作用，表征這些磁性器 件對(duì)確定電源的穩(wěn)定性和整體效率具有至關(guān)重要的作 用。

4/5/6-PWR中的磁性分析功能自動(dòng)完成以下幾組測(cè)量: 電感、磁性損耗和b-h參數(shù)。

電感

電感器的阻抗會(huì)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(diǎn)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(dòng)測(cè)量器。 件的電感。

進(jìn)行測(cè)量

4/5/6-PWR應(yīng)用對(duì)測(cè)量期間的電壓求積分，然后除以電 流變化，計(jì)算出電感值。它探測(cè)經(jīng)過磁性器件的電壓及 流經(jīng)磁性器件的電流，來進(jìn)行測(cè)量。電感測(cè)量結(jié)果與圖 14中多種其他測(cè)量一起顯示。黃色 (Ch1) 波形是經(jīng)過 電感器的電壓，青色波形 (Ch2) 是流經(jīng)電感器的電流。 另外還顯示了b-h曲線。

測(cè)量結(jié)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(guān)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(huì)在電源中產(chǎn)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(guān)。磁芯損耗與DC 通量無關(guān)，但受到交流通量擺幅和工作頻率的影響。

進(jìn)行測(cè)量

4/5/6-PWR能夠計(jì)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(huì)連接一只差分探頭，測(cè)量經(jīng)過主 然后線圈的電壓。電流探頭則測(cè)量流經(jīng)變壓器的電流。 示波器和功率測(cè)量軟件可以自動(dòng)計(jì)算磁性功率損耗然。 后會(huì)顯示磁性功率損耗結(jié)果，如圖1所示.

測(cè)量結(jié)果

功率損耗:由于磁性元件導(dǎo)致的總功率損耗

磁學(xué)屬性 (b-h曲線)

磁性通量密度B指磁場(chǎng)的強(qiáng)度，單位為特斯拉，它決定 著磁場(chǎng)在運(yùn)動(dòng)電荷上施加的力。磁場(chǎng)強(qiáng)度或場(chǎng)強(qiáng)H指磁 化力，單位為A/m。材料的磁導(dǎo)率m的單位為H/m，衡 量的是材料由于應(yīng)用的磁場(chǎng)而產(chǎn)生的磁化程度。

磁長和磁芯周圍的線圈數(shù)等物理特點(diǎn)有助于確定磁性 材料的B和H。B-H曲線圖通常用來檢驗(yàn)開關(guān)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(gè)周期損耗的能量繪圖。繪圖會(huì)針對(duì)場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)，如磁長和磁芯周圍的線圈數(shù)，因此這些 曲線決定著元件磁芯材料的性能包絡(luò)。

圖1. 電感器上的磁性測(cè)量。Ch1( 黃色 ) 波形是經(jīng)過電感器的電壓，Ch2( 青色 ) 波形是流經(jīng)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(xué)屬性顯示在右面的結(jié)果標(biāo)簽中。

進(jìn)行測(cè)量

為生成b-h圖，要測(cè)量經(jīng)過磁性元件的電壓和流經(jīng)的 電流。在變壓器中，主要是經(jīng)過初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的 電流。必須先在配置面板中輸入電感器的圈數(shù) (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(jì)算b-h曲線圖。

高壓差分探頭連接到示波器的通道1上，經(jīng)過變壓器的 初級(jí)線圈。測(cè)得的這個(gè)電壓是磁性元件中磁感應(yīng)B的結(jié) 果。通道2使用電流探頭測(cè)量流經(jīng)初級(jí)線圈的電流。如 果需要，電流探頭還用來測(cè)量流經(jīng)通道3和通道4上次 級(jí)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(shù)據(jù)計(jì)算磁化電流，然后使用磁化電流值，確定H 成分。

磁學(xué)屬性結(jié)果如圖1所示。

測(cè)量結(jié)果

△ b: 通量密度變化。

△ h: 場(chǎng)強(qiáng)變化。

磁導(dǎo)率:材料的磁化程度。

Bpeak:磁性元件中感應(yīng)的最大磁性通量密度。

Br:曲線上H = 0，且B仍為正值的點(diǎn)，這稱為元件的 剩磁，是衡量元件頑磁性的一個(gè)指標(biāo)。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(fù)值的點(diǎn)。這代表著導(dǎo)致B 達(dá)到零所要求的外部場(chǎng)。這個(gè)H值稱為抗磁力。抗磁 力小，意味著元件可以簡(jiǎn)便地去磁。

Hmax:H軸和磁滯環(huán)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(hào)源與浮動(dòng)注入電阻隔離。

頻率響應(yīng)分析

控制環(huán)路頻率響應(yīng)

控制環(huán)路頻率響應(yīng)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(yīng)特性伯德圖表示在一定頻率。 范圍內(nèi)計(jì)算出的反饋環(huán)路的增益和相位偏移，進(jìn)而提供 有關(guān)控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的重要信息這可以使。 用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行測(cè)量，但還可以使用示 波器和函數(shù)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)量。

為了測(cè)量電力系統(tǒng)的響應(yīng)，必須將已知信號(hào)注入反饋回 路。對(duì)于此測(cè)量，使用4/5/6系列MSO中的任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器(AFG)選配來產(chǎn)生指定頻率范圍內(nèi)的正弦波。 直流 - 直流轉(zhuǎn)換器或LDO必須在其反饋回路中配置一 個(gè)較小的(5-10Ω)注入電阻器 / 終端電阻器，以便將來 自函數(shù)發(fā)生器的干擾信號(hào)注入回路中。

在注入電阻兩端連接一個(gè)在具有寬頻寬范圍內(nèi)具有平 坦響應(yīng)的注入變壓器，并將接地信號(hào)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(shù)發(fā)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(jìn)行電壓測(cè)量。這樣可以在6系列MSO上以500 μ v/div 的垂直靈敏度進(jìn)行測(cè)量，在4/5系列MSO上以1 mV/div 的垂直靈敏度進(jìn)行測(cè)量。

圖3.起始和終止頻率、振幅和10倍頻率范圍的頻率點(diǎn)數(shù)決 定了發(fā)生器將注入控制環(huán)路的激勵(lì)。

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

建立連接后，配置激勵(lì)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(cè)量的信噪。 比(SNR)。

圖5.軟件計(jì)算的增益(綠色跡線)為20 log(Vout/Vin)。紅色軌跡表示注入信號(hào)和輸出之間相對(duì)于 -180 ° 的相位偏移。在增益曲線 跨過0dB時(shí)測(cè)量相位裕度(PM)。當(dāng)相位曲線跨過零度標(biāo)記時(shí)測(cè)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(cè)量，該增益交叉頻率會(huì) 出現(xiàn)在增益圖跨過0 db時(shí)。相位圖上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)給出了 相位裕度。

增益裕度是在相位交叉頻率處測(cè)量，該相位交叉頻率會(huì) 出現(xiàn)在相位跨過 -180度時(shí)。相位是相對(duì)于 -180進(jìn)行繪 制，因此顯示為零交叉。在此相位交叉頻率處的相應(yīng)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(xiàn)在其直流輸出上的 能力。為了執(zhí)行PSRR測(cè)試，將掃描正 弦激測(cè)量勵(lì)施加到電源的輸入端的此。 需要直如流 + 交流網(wǎng)絡(luò)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(shù)發(fā)生器的交流電激勵(lì)加入電源的直流輸入。

4/5/6-pwr軟件可自動(dòng)進(jìn)行掃描，并 測(cè)量每個(gè)頻率的輸入輸出信號(hào)此軟件。 會(huì)以20 Log(Vin/Vout)計(jì)算頻帶內(nèi) 每個(gè)頻率上的衰減比，并在顯示器上繪 制測(cè)量值。

圖8阻抗測(cè)量設(shè)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(shí)現(xiàn)低負(fù)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(cè)量

分析配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗有助于確定系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)、例如穩(wěn)壓器模塊(VRM)。

阻抗測(cè)量通常使用VNA執(zhí)行，但是典型的VNA無法在 低頻下進(jìn)行測(cè)量或測(cè)量 <10m Ω 的低阻抗值。基于示波 器的系統(tǒng)可以量測(cè)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(shí)顯示來自DUT的輸入 和輸出信號(hào)，因此可以觀察到時(shí)域變化。

示波器還具有在執(zhí)行分析時(shí)顯示時(shí)域波形(包括激勵(lì)信 號(hào)和響應(yīng))的好處。若使用VNA，則無法使用這些功能。

若要執(zhí)行測(cè)量，必須將接地示波器與DUT隔離。在圖8所示的示例系統(tǒng)中，Picotest J2113A差動(dòng)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(hào)從函 數(shù)發(fā)生器發(fā)送到DUT和示波器上的通道1。

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

輸出分析

必須評(píng)估任何直流電源輸出的穩(wěn)定性和噪聲。5-PWR高 級(jí)功率測(cè)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(guān)紋波

簡(jiǎn)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(guān)的紋波，開關(guān)紋波度量的是根據(jù)確定的開關(guān)頻率 從開關(guān)電源輸出檢測(cè)到的紋波數(shù)量。

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

進(jìn)行測(cè)量

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

圖10.  4/5/6-PWR的工頻紋波配置標(biāo)簽。

工頻紋波和開關(guān)紋波的配置標(biāo)簽(參見圖25)非常像。 這兩種紋波測(cè)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(cè)或高分辨率 (高 Res)。在工頻紋波測(cè)量中，必須確定系統(tǒng)的工頻頻率: 50 hz或60 hz或400 hz。開關(guān)紋波測(cè)量要求開關(guān)頻 率指標(biāo)。

如圖會(huì)顯示結(jié)果一旦測(cè)量配置完畢所示26日.

圖11.使用4/5/6-PWR測(cè)量開關(guān)紋波。

測(cè)量結(jié)果

峰峰值和RMS紋波值:這些是系統(tǒng)工頻或開關(guān)紋波的 峰峰值和RMS電壓。

圖12.使用5-PWR進(jìn)行效率測(cè)量。

效率

器件或產(chǎn)品效率高，是當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境中決定成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素。高級(jí)功率測(cè)量和分析軟件可以簡(jiǎn)便地 測(cè)量功率轉(zhuǎn)換 (ac-dc，ac-ac，dc-dc，dc-ac) 產(chǎn)品的效率。對(duì)擁有最多3個(gè)輸出的功率產(chǎn)品，高級(jí)功率測(cè)量和分析 軟件使得設(shè)計(jì)人員可以立刻測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的效率，加快測(cè)試和驗(yàn)證速度。

圖12顯示了擁有1個(gè)輸入和3個(gè)輸出的交流-交流轉(zhuǎn)換器上的效率測(cè)量結(jié)果，其中使用演示電路板和數(shù)學(xué)信號(hào)仿真多 輸出器件。

注意上例中使用了自定義標(biāo)簽，識(shí)別起來非常簡(jiǎn)便。應(yīng) 用軟件根據(jù)需要自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)學(xué)功率波形在上面的實(shí)例。 中、這些波形都是自動(dòng)創(chuàng)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(cè)量配置允許用戶配置信號(hào)類型及最多3個(gè)輸出。

應(yīng)用會(huì)計(jì)算被測(cè)器件的各種效率和總效率，在結(jié)果標(biāo)簽 中顯示。還可以打開結(jié)果表，用。MHT或PDF格式保存 報(bào)告。

圖15

導(dǎo)通時(shí)間

導(dǎo)通時(shí)間是施加輸入電壓后達(dá)到電源輸出電壓所需的時(shí)間。一個(gè)通道用于測(cè)量輸入，示波器的任何剩余通道可用于 測(cè)量輸出。這樣可以在一次采集中測(cè)量多個(gè)電源軌。

圖16.

關(guān)斷時(shí)間

關(guān)斷時(shí)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(shí)間。

交流 - 直流和直流 - 直流導(dǎo)通時(shí)間測(cè)量技術(shù)可擴(kuò)展至驗(yàn)證多路輸出電源的通 電和斷電順序。

在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，電源輸出的時(shí)序和順序關(guān)系著最終產(chǎn)品是否能可靠運(yùn)作， 以及保證裝置不間斷正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員將會(huì)關(guān)注如何調(diào)整其終端裝置，如 UPS在指定時(shí)間內(nèi)回到穩(wěn)定狀態(tài)。例如，電池充電后以連續(xù)的方式產(chǎn)生直 流輸出，而逆變器系統(tǒng)則連續(xù)充電至交流干線中。如果電源中斷，則電池會(huì) 為逆變器供電。關(guān)斷時(shí)間很重要，這樣電池才能在指定的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)。

生成報(bào)告

數(shù)據(jù)采集、歸檔和文檔管理通常是設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中 繁瑣而又必要的任務(wù)。4/5/6-PWR配有一個(gè)報(bào)告生成 工具，在實(shí)踐中可以輕松編制測(cè)量結(jié)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(bào)告成品。

圖17報(bào)告以。MHT或。PDF文件格式提供。