如何使用示波器對電源進行測量與分析！

1.1

消除探頭偏置和磁場

      為了測量被測器件的電壓以及電流，我們會使用到兩根（或者多根）獨立的電壓探頭和電流探頭。差分探頭和電流探頭，開機后可能產生失調現象，存在影響精度的小電壓偏置，應該在測量之前消除這一零偏。機器經常使用后，電流探頭傳感器的會有剩余磁場，測量前也先應消磁，以提高測量精度。

       鼎陽CP5030電流探頭支持消磁調零，按一下探頭機身上的Degauss AutoZero按鈕，機器自動消磁并清除測量系統中存在的任何 DC 偏置誤差，消磁調零過程成功后，會有成功提示音“嘀嘀”兩聲提示，全程大約耗時5秒。

        鼎陽DP5150A 高壓差分探頭需要手動偏置調零，操作方法如下：

1) 按住并保持 ATTENUATION BANDWIDTH 兩個按鍵，插上電源開機，過載指示燈點亮，進入測試模式，松開按鍵。

2) 該狀態下進入高衰減倍數偏置調整，按下 ATTENUATION 按鍵，偏置遞增；按下BANDWIDTH 按鍵，偏置遞減，調整至合適位置。

3) 按下 AUDIBLE OVERRANGE 按鍵，切換到低衰減倍數檔位偏置調整，通過ATTENUATION 和 BANDWIDTH 調整低衰減倍數。

4） 按下AUDIBLE OVERRANGE按鍵，過載指示燈滅，退出測試模式，偏置調整結束。

1.2

消除探頭之間的時延

由于每一根探頭都有其特性傳播延遲，探頭之間可能存在時延，從而引起定時差、相位和功率系數測量的不準確。為了達到更精確的測量效果，在正式測量之前需要對電流和電流探頭進行時延校準，消除探頭之間的傳播誤差。鼎陽科技提供 DF2001A 時滯校準板，可以有效地消除探頭的時延。

操作方法：將消磁調零后的電流探頭連接到時滯校準板的電流回路、將高壓差分探頭的紅黑探夾分別連接到時滯校準板的信號輸入端和接地端，將校準板上的開關 S1 調整到SMALL LOOP，并將探頭與示波器相連，這里我們將高壓差分探頭與示波器通道 1 連接，電流探頭與示波器通道 2 連接。連接如圖 3 所示。

圖 3. 探頭與 DF2001A 連接示意圖

進入示波器時滯校準界面，進入路徑為：分析—電源分析—開關損耗—信號—時滯校準，如圖 4 所示，設置輸入電壓通道和輸入電流道，點擊時滯校準，等待校準完成。

圖 4.示波器時滯校準界面

2

交流輸入分析

     

      在交流輸入端上進行電源質量測量，測量項目包括電源質量分析、電流諧波測量和浪涌電流測量。

2.1

電源質量分析

       電源質量測量是一套標準功率測量，通常在AC線路上輸入執行，也可以在器件的AC輸出上，具體測量參數包括測量電源輸入端的有功功率、視在功率、無功功率、功率因數、功率相位角、電壓有效值、電流有效值、電壓波峰因數和電流波峰因數等電量參數。

       操作方法：用高壓差分探頭DPB5150A測量系統工頻電壓，將紅黑探頭分別接入輸入電源的火線和零線上；使用CP5030電流探頭測量系統工頻電流,將電流鉗夾住輸入端的火線，連接示意和實際連接分別如圖5、圖6所示：

圖5. 電源質量分析連接示意圖

圖6. 電源質量分析實物連接圖

       在示波器上調出功率分析軟件，檢查設置的輸入電壓源、輸入電流源是否與實際連接一致，在分析項中選擇電源質量，給電源上電后，將測試狀態打開。測試結果如圖7所示：

圖7. 電源質量分析測量結果

測量結果(取36次平均值)如下：

2.2

電流諧波測量

       開關電源一般會生成以奇數階為主的諧波，倒送回電網。其影響具有累積性特點，隨著連接到電網的開關電源增加，返回電網的諧波失真的總百分比會上升。由于這種失真會導致熱量在電網的線纜和變壓器中積聚，因此必需使諧波達到最小。業內制訂了IEC61000-3-2等法規標準來限制諧波電流發射。鼎陽科技示波器配備的電源分析軟件只需要簡單的設置，就可以在系統交流輸入端上進行電流諧波測量，并針對行業標準對電源的諧波進行預一致性檢查。

       操作方法：保持上述硬件連接不變，在示波器的電源分析項下拉菜單切換為電流諧波，進入輸入配置：調整測量的周期數，至少顯示一個完整周期，可以手動調整也可以指定數值自動配置，采樣率需要滿足f s ≥ x*40*f Line x>=2。進入配置選項：選擇自動獲取線路頻率，以及標準類型（以IEC61000-3-2A為例），執行測試。測試結果如圖8所示。由測量結果列表得知，電流諧波均滿足IEC61000-3-2A標準要求。

圖8. 電流諧波測量結果

2.4

浪涌電流測量

       在穩定狀態下通過光標測量得知該系統輸入電流約1A，如圖9所示。而接通電氣設備電源時，在接通的瞬間可能會流過遠遠大于穩定電流的大電流，該電流即成為浪涌電流。電源分析軟件支持測量初次開啟電源時電源的峰值電流。

        操作方法：保持硬件連接不變，在示波器的電源分析項下拉菜單切換為浪涌電流，在輸入設置中根據預期電流大小調整觸發閾值（以5A為例），以便捕獲到浪涌電流出現的位置。

圖9.穩定狀態下電流為1.0A

圖10. 浪涌電流為7.421A

將測試狀態由off調整為on，根據提示進行操作：關閉輸入電源，選擇下一步，進入Single觸發模式，邊沿觸發，觸發源為電流對應的通道；開啟電源，點擊下一步，等待測量觸發到的波形的測量值，重復5次操作，取最大值為浪涌電流。如圖10所示，浪涌電流的測量值為

7.421A。

3

開關切換參數測量

       

       在電源的開關設計部分，為了確認開關器件工作在正常范圍內，通常需要測量開關能量損耗大小、開關轉換速率，以及調制分析等內容。

3.1

開關損耗測量

      開關損耗包括開通損耗和關斷損耗，在開關電源中，對MOS管進行開關操作時，需要對寄生電容進行充放電，從而引起損耗。開關損耗常用于量化傳輸到電源設備散熱器的功率損耗，工程師也使用這個參數評估電源的轉化效率，正確分析這些損耗對檢定電源及測量其效率至關重要。鼎陽科技的電源質量分析軟件可以計算在開關設備中的開關周期內耗散的功率。

       操作方法：由于測量開關損耗關鍵是捕獲到開關跳變時的波形，電壓、電流通道的時間

要對應，在測量之前要確定兩通道輸入已經進行相位校準。示波器經過開關器件的電壓和流

經開關器件的電流，硬件連接方式如圖11所示。

圖11. 開關損耗測量連接示意圖

       在示波器上設置電壓參考值與電流參考值。電壓達到電壓參考值是算作損耗起點，電流低于電流參考值算作損耗終點，若起點在終點之后，則視作無損耗，起點和終點可以通過設置Gate實現。用math中的乘法即可表示開關損耗的功率。能量損耗為乘法結果的積分。根據測試結果可知被測開關裝置在一個開關周期內的損耗值。

3.2

轉換速率測量

       轉換速率可測量開關期間電壓或電流的變化速率。給輸入施加上升沿和下降矩形波脈沖時，表示輸出電壓在單位時間內可發生什么程度的變化。圖12表示轉換速率的定義：

圖12. 轉換速率定義

dV/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，測量電源設備(MOSFET) 的 Vds 的轉換速度。

dI/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，測量電源設備(MOSFET) 的 Id 的轉換速度。

      操作方法：示波器經過開關器件的電壓和流經器件的電流，硬件連接方式與上述開關損耗測量一致。

3.3

調制分析測量

       調制分析測量到開關設備（MOSFET）的控制脈沖信號，并觀察控制脈沖信號響應不同事件的脈沖寬度、占空比、周期、頻率等的趨勢。

        操作方法：將高壓差分探頭紅黑表筆分別接到開關的G端和S端，電流探頭接入開關的D端，如圖13所示。在示波器上在電源分析選項中的分析項切換為調制分析，在類型中選擇所關注的平均值、交流有效值、周期等測量。將測試狀態調整為on。

圖13. 調制分析連接圖

4

輸出參數測量

     

     為了評估電源輸出的穩定性和噪聲，需要對輸出的紋波、開關/關閉時間、瞬態響應時間進行測量。

4.1

輸出紋波

      輸出紋波表示輸出直流電壓的波動量。輸出紋波對負載設備的正常工作產生很重要的影響，如果輸出紋波過大，負載設備會工作不正常，或者會影響其工作的性能。電源分析軟件中紋波分析能夠測量電源輸出端紋波的當前值、平均值、最小值、最大值、標準差和計數值。

      操作方法：測量輸出紋波只需要使用一根電壓探頭，將電壓探頭調整為短接地（使用接地彈簧）并調整為1倍衰減，把電壓探頭連接到系統DC直流輸出上，在示波器上打開電源分析菜單，在分析項中選擇輸出紋波，確定輸入電壓通道與連接一致，然后設置持續時間（調整時基），測量在持續時間內（8-10個開關周期）的峰峰值。將測試狀態調整為ON，即可測得輸出紋波的平均值為19.343mV。

圖14. 輸出紋波測量平均值19.343mV

4.2

開啟/關閉時間

       開啟分析可確定開啟的電源達到其穩定狀態輸出 90% 所耗用的時間。關閉分析可確定關閉的電源降至其最大輸出電壓 10% 所耗用的時間。

       操作方法：將電源的DC電壓輸出和AC電流輸入接入示波器，硬件連接如下：

圖15. 開啟/關閉時間測量連接圖

       在示波器上進入電源分析選項，分析項選擇開啟/關閉；進入輸入設置，本例輸入電壓為C1,輸出電壓C2，輸入類型AC，輸入最大值為220V，輸出穩定電壓16V，;選擇測試為開啟或者關閉即測試開啟時間或者關閉時間，將測試狀態調整為ON，根據提示進行一次開關

電源操作，使用穩定觸發的波形進行相應計算。

       開啟時間為AC輸入電壓上升至其最大幅度（起始時間）的10%的時間與DC輸出電壓上升至其最大幅度（結束時間）的90%的時間差值。關閉時間為DC輸出電壓下降至其穩定狀態值（結束時間）的10%的時間與輸入電壓下降至其正峰值（或負峰值，以先發生的為準）起始時間的 10% 以下的時間差值。測量結果如下所示，開關的開啟時間為26.62ms，關閉時間為89.34ms。

圖16. 開啟時間測量為26.63ms 

圖17. 關閉時間測量為89.34ms

4.3

瞬變響應時間

        瞬變響應分析可確定電源的輸出電壓對輸出負載變化的響應速度。該時間從輸出電壓首次退出穩定帶開始，到最后一次進入穩定帶為止。

      操作方法：將電源的DC電壓輸出和DC電流輸出接入示波器，硬件連接如下：

圖18. 瞬變響應時間測量連接圖

        配置初始電流和改變負載后的穩定電流。點擊應用后會提示用戶操作，改變電源負載后，點擊下一步；Single邊沿觸發，觸發電平為大于或小于穩定輸出電壓+/-過沖。借助光標完成測量，水平光標間為穩定帶（穩定電壓上下x%，可設置），調整垂直光標至第一次離開穩定帶與最后一次回到穩定帶處，兩光標間的時間差即為瞬變響應時間。

4.4

功率效率

      產品功率效率是決定其成功的重要因素。通過對系統輸出功率與輸入功率的測量，可以得到電源的整體效率。鼎陽科技的電源分析軟件可以簡便地測量此參數。因為要測量輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流，要求使用的示波器至少具備4通道。

       操作方法：將被測物的AC輸入電壓和電流、DC輸出電壓和電流通過探頭與示波器連接，

硬件連接示意圖如下：

圖19. 功率效率測量連接圖

      在示波器上打開電源分析軟件，分別設置4個通道的電壓電流，打開效率測量，執行測試。可以得出輸入電壓V_in、輸入電流I _in 、輸出電壓V _out 、輸出電流I _out ，和測量的持續時間。

效率 。N為整周期對應的點數,測量結果為-69.296%。

圖20. 功率效率測量結果

5

生成報告

       

      數據的存儲和調用是工程師在使用儀器過程中經常使用到的功能。SDS6000PRO-PA配有報告生成工具，并可以使用儀器面板上的Save功能，生成指定的報告格式到U盤。在操作過程中如果有重要的界面需要保存，也可以使用儀器自帶的一鍵保存功能，保存屏幕截圖到U盤。

對開關的電源進行質量分析，無需使用功率分析儀器，將示波器與功率分析軟件結合使用，就可以快速、準確并且經濟地進行電源分析，全過程不需要手動計算，也無需復雜地儀器操作，極大提升了工程師的工作效率。