运用泰克示波器4系列B MSO进行磁性分析和电频率响应分析

磁性分析

电感器和变压器用来为开关电源及线性电源中的存储器件加电。某些电源还在输出上，在滤波器中使用电感器。 考虑到其在功率转换器中的重要作用，表征这些磁性器 件对确定电源的稳定性和整体效率具有至关重要的作 用。

4/5/6-PWR中的磁性分析功能自动完成以下几组测量: 电感、磁性损耗和b-h参数。

电感

电感器的阻抗会随着频率提高，较高频率的阻抗要高 于较低频率的阻抗。这种特点称为电感，单位用亨利为 表示可以使用配备功率分析软件的示波器自动测量器。 件的电感。

进行测量

4/5/6-PWR应用对测量期间的电压求积分，然后除以电 流变化，计算出电感值。它探测经过磁性器件的电压及 流经磁性器件的电流，来进行测量。电感测量结果与图 14中多种其他测量一起显示。黄色 (Ch1) 波形是经过 电感器的电压，青色波形 (Ch2) 是流经电感器的电流。 另外还显示了b-h曲线。

测量结果

电感:器件或电路的电感值

磁性损耗

分析磁性功率损耗是全面分析开关电源损耗的基本组 成部分。两种主要磁性损耗是磁芯损耗和铜缆损耗。铜。 缆线圈的电阻会在电源中产生铜缆损耗磁芯损耗与磁。 芯中的漩涡电流损耗和磁滞损耗有关。磁芯损耗与DC 通量无关，但受到交流通量摆幅和工作频率的影响。

进行测量

4/5/6-PWR能够计算单线圈电感器、多线圈电感器、甚 至变压器中的磁性损耗。

在单线圈变压器中，会连接一只差分探头，测量经过主 然后线圈的电压。电流探头则测量流经变压器的电流。 示波器和功率测量软件可以自动计算磁性功率损耗然。 后会显示磁性功率损耗结果，如图1所示.

测量结果

功率损耗:由于磁性元件导致的总功率损耗

磁学属性 (b-h曲线)

磁性通量密度B指磁场的强度，单位为特斯拉，它决定 着磁场在运动电荷上施加的力。磁场强度或场强H指磁 化力，单位为A/m。材料的磁导率m的单位为H/m，衡 量的是材料由于应用的磁场而产生的磁化程度。

磁长和磁芯周围的线圈数等物理特点有助于确定磁性 材料的B和H。B-H曲线图通常用来检验开关电源中磁 性成分的饱和度(或匮乏度)，用来衡量磁芯材料单位 容量中每个周期损耗的能量绘图。绘图会针对场强H绘 制磁性通量密度B的曲线。由于B和H都依赖磁性元 件的物理特点，如磁长和磁芯周围的线圈数，因此这些 曲线决定着元件磁芯材料的性能包络。

图1. 电感器上的磁性测量。Ch1( 黄色 ) 波形是经过电感器的电压，Ch2( 青色 ) 波形是流经电感器的电流。B-H曲线在显示器中心 显示。电感、磁性损耗和磁学属性显示在右面的结果标签中。

进行测量

为生成b-h图，要测量经过磁性元件的电压和流经的 电流。在变压器中，主要是经过初级线圈和次级线圈的 电流。必须先在配置面板中输入电感器的圈数 (N)、磁长 (l) 和磁芯的横截面面积 (Ae)，然后功率分析软件就可以 计算b-h曲线图。

高压差分探头连接到示波器的通道1上，经过变压器的 初级线圈。测得的这个电压是磁性元件中磁感应B的结 果。通道2使用电流探头测量流经初级线圈的电流。如 果需要，电流探头还用来测量流经通道3和通道4上次 级线圈的电流。然后功率分析软件使用示波器通道2、3、 4的数据计算磁化电流，然后使用磁化电流值，确定H 成分。

磁学属性结果如图1所示。

测量结果

△ b: 通量密度变化。

△ h: 场强变化。

磁导率:材料的磁化程度。

Bpeak:磁性元件中感应的最大磁性通量密度。

Br:曲线上H = 0，且B仍为正值的点，这称为元件的 剩磁，是衡量元件顽磁性的一个指标。剩磁越高，材 料保留磁化的程度越高。

Hc:曲线上B = 0、且H是负值的点。这代表着导致B 达到零所要求的外部场。这个H值称为抗磁力。抗磁 力小，意味着元件可以简便地去磁。

Hmax:H轴和磁滞环横截面上H的最大值。

纹波:电流的峰峰值。

图2.隔离变压器 / 注入变压器用于将接地信号源与浮动注入电阻隔离。

频率响应分析

控制环路频率响应

控制环路频率响应分析(通常称为伯德图)有助于分析 电源控制回路的频率响应特性伯德图表示在一定频率。 范围内计算出的反馈环路的增益和相位偏移，进而提供 有关控制环路速度和电源稳定性的重要信息这可以使。 用矢量网络分析仪(VNA)进行测量，但还可以使用示 波器和函数发生器进行测量。

为了测量电力系统的响应，必须将已知信号注入反馈回 路。对于此测量，使用4/5/6系列MSO中的任意波形/ 函数发生器(AFG)选配来产生指定频率范围内的正弦波。 直流 - 直流转换器或LDO必须在其反馈回路中配置一 个较小的(5-10Ω)注入电阻器 / 终端电阻器，以便将来 自函数发生器的干扰信号注入回路中。

在注入电阻两端连接一个在具有宽频宽范围内具有平 坦响应的注入变压器，并将接地信号源与电源隔离。 Picotest J2101A注入变压器的频率范围为10Hz 45MHz，与4/5/6系列MSO的函数发生器选配吻合。 建议使用低电容、低衰减的无源探头(例如TPP0502) 进行电压测量。这样可以在6系列MSO上以500 µ v/div 的垂直灵敏度进行测量，在4/5系列MSO上以1 mV/div 的垂直灵敏度进行测量。

图3.起始和终止频率、振幅和10倍频率范围的频率点数决 定了发生器将注入控制环路的激励。

图4.振幅自定义曲线可用于改善测量的信噪比(SNR)。此 方法支持在DUT对干扰敏感的频率上应用较低的振幅，而在 DUT对干扰不太敏感的频率上应用较高的振幅。

建立连接后，配置激励扫描。4/5/6-PWR软件支持恒定 振幅和振幅自定义扫描恒定振幅扫描在所有频率下均。 维持相同的振幅振幅自定义扫描支持在定义的频带指。 定不同的振幅振幅自定义扫描可用于改善测量的信噪。 比(SNR)。

图5.软件计算的增益(绿色迹线)为20 log(Vout/Vin)。红色轨迹表示注入信号和输出之间相对于 -180 ° 的相位偏移。在增益曲线 跨过0dB时测量相位裕度(PM)。当相位曲线跨过零度标记时测量增益裕度(GM)。该表显示了各频率的增益和相位。

相位裕度是在增益交叉频率处测量，该增益交叉频率会 出现在增益图跨过0 db时。相位图上的对应点给出了 相位裕度。

增益裕度是在相位交叉频率处测量，该相位交叉频率会 出现在相位跨过 -180度时。相位是相对于 -180进行绘 制，因此显示为零交叉。在此相位交叉频率处的相应增 益值给出了增益裕度。

图6.PSRR图显示了在电源输出端上的交流(施加至输入端)衰减。

电源抑制比(PSRR)

电源抑制比表示电源能够防止其输入 上的交流噪声出现在其直流输出上的 能力。为了执行PSRR测试，将扫描正 弦激测量励施加到电源的输入端的此。 需要直如流 + 交流网络求和装置例 Picotest的J2120A线路注入器。

图7.线路注入器用于将来自函数发生器的交流电激励加入电源的直流输入。

4/5/6-pwr软件可自动进行扫描，并 测量每个频率的输入输出信号此软件。 会以20 Log(Vin/Vout)计算频带内 每个频率上的衰减比，并在显示器上绘 制测量值。

图8阻抗测量设定。电源轨探头在直流和50Ω 交流输入阻抗下可提供高灵敏度和高阻抗，以实现低负载。或者，可以使P6150探 头(如果有)或使用带直流阻隔的SMA电缆。

阻抗测量

分析配电网络的阻抗有助于确定系统内噪声的影响阻。 抗曲线表示特定频带上的阻抗值。DUT可能是PDN(包 括电路板走线和电容器)的组合阻抗，或者是组件或子 系统、例如稳压器模块(VRM)。

阻抗测量通常使用VNA执行，但是典型的VNA无法在 低频下进行测量或测量 <10m Ω 的低阻抗值。基于示波 器的系统可以量测低至1hz的频率。基于示波器的解 决方案还可以在扫描过程中同时显示来自DUT的输入 和输出信号，因此可以观察到时域变化。

示波器还具有在执行分析时显示时域波形(包括激励信 号和响应)的好处。若使用VNA，则无法使用这些功能。

若要执行测量，必须将接地示波器与DUT隔离。在图8所示的示例系统中，Picotest J2113A差动式放大器 变压器可用于此目的50 Ω 功率分配器用于将信号从函 数发生器发送到DUT和示波器上的通道1。

图9阻抗与频率测量图。曲线具有三个峰值，表示阻抗值随频率变化而变化。目标是生成一张平坦的阻抗图，其中的任何峰值 均低于目标阻抗。游标可用于测量曲线上的任意点。

输出分析

必须评估任何直流电源输出的稳定性和噪声。5-PWR高 级功率测量和分析软件为量化和分类纹波提供了多种工 具。

工频纹波和开关纹波

简而言之，纹波是叠加到电源直流输出上的交流电压，用 正常输出电压的百分比或峰峰值电压表示。

电源输出上显示两类纹波:工频纹波度量的是与工频频 率有关的纹波，开关纹波度量的是根据确定的开关频率 从开关电源输出检测到的纹波数量。

输出工频纹波通常是工频频率的两倍，开关纹波则一般 与噪声耦合，在kHz频率范围内。把工频纹波与开关纹 波分开，是电源表征中最大的挑战之一。功率分析软件 大大简化了这项任务。

进行测量

只需使用一只电压探头，就可以测量系统的纹波。差分 探头必须连接到系统的输出上，才能测量输出工频和开 关纹波电压。

图10.  4/5/6-PWR的工频纹波配置标签。

工频纹波和开关纹波的配置标签(参见图25)非常像。 这两种纹波测量都要求选择输入耦合 (交流或直流) 模式、 要求的带宽限制 (20mhz、150/250mhz或全带宽)及 示波器的采集模式 - 采样、峰值检测或高分辨率 (高 Res)。在工频纹波测量中，必须确定系统的工频频率: 50 hz或60 hz或400 hz。开关纹波测量要求开关频 率指标。

如图会显示结果一旦测量配置完毕所示26日.

图11.使用4/5/6-PWR测量开关纹波。

测量结果

峰峰值和RMS纹波值:这些是系统工频或开关纹波的 峰峰值和RMS电压。

图12.使用5-PWR进行效率测量。

效率

器件或产品效率高，是当今激烈竞争的市场环境中决定成败的一个关键因素。高级功率测量和分析软件可以简便地 测量功率转换 (ac-dc，ac-ac，dc-dc，dc-ac) 产品的效率。对拥有最多3个输出的功率产品，高级功率测量和分析 软件使得设计人员可以立刻测试整个系统的效率，加快测试和验证速度。

图12显示了拥有1个输入和3个输出的交流-交流转换器上的效率测量结果，其中使用演示电路板和数学信号仿真多 输出器件。

注意上例中使用了自定义标签，识别起来非常简便。应 用软件根据需要自动创建数学功率波形在上面的实例。 中、这些波形都是自动创建的:

Ch3: 输入电压

Ch4: 输入电流

Ch7: 输出1电压

Ch8: 输出1电流

Math1: 输入1功率

Math2: 输出1功率

Math5: 输出2功率

Math8: 输出3功率

图14效率测量配置允许用户配置信号类型及最多3个输出。

应用会计算被测器件的各种效率和总效率，在结果标签 中显示。还可以打开结果表，用。MHT或PDF格式保存 报告。

图15

导通时间

导通时间是施加输入电压后达到电源输出电压所需的时间。一个通道用于测量输入，示波器的任何剩余通道可用于 测量输出。这样可以在一次采集中测量多个电源轨。

图16.

关断时间

关断时间是移除输入电压后使电源的输出电压接近于零所需的时间。

交流 - 直流和直流 - 直流导通时间测量技术可扩展至验证多路输出电源的通 电和断电顺序。

在导通和关断期间，电源输出的时序和顺序关系着最终产品是否能可靠运作， 以及保证装置不间断正常运行。设计人员将会关注如何调整其终端装置，如 UPS在指定时间内回到稳定状态。例如，电池充电后以连续的方式产生直 流输出，而逆变器系统则连续充电至交流干线中。如果电源中断，则电池会 为逆变器供电。关断时间很重要，这样电池才能在指定的时间内启动。

生成报告

数据采集、归档和文档管理通常是设计和开发过程中 繁琐而又必要的任务。4/5/6-PWR配有一个报告生成 工具，在实践中可以轻松编制测量结果文档。

通过使用示波器的 “另存为”(另存为)功能、可以生成、 并在示波器屏幕上显示指定布局的报告成品。

图17报告以。MHT或。PDF文件格式提供。