泰克示波器进行电源测量和分析

4 系列 B MSO 提供了 FlexChannel® 输入及新型图形用 户界面，设计人员可以一次测试多个测试点，从而加快测 试速度。高级功率测量和分析选项 (4/5/6-PWR) 为关键 功率测量自动完成设置过程，并提供了多种工具，根据电 源设计指标和标准评估测试结果。本应用指南将概括介绍怎样使用泰克4系列B MSO示波器及4/5/6-PWR 功 率分析软件进行重要的电源测量。

准备电源测量

为进行准确测量，必须正确设置功率测量系统，精确地捕 获波形，进行分析和调试。要考虑的重要课题有：

消除电压探头和电流探头之间的时延

消除探头偏置

对电流探头消磁

消除电压探头和电流探头之间的时延

在使用示波器进行功率测量时，必需测量经过被测器件 的电压及流经被测器件的电流。这项任务要求两只单独 的探头：一只电压探头（通常是高压差分探头）和一只电 流探头。每只电压探头和电流探头都有自己的传播延迟 特性，这些波形中产生的边沿可能并没有对准。电流探头 和电压探头之间的延迟差称为时延，会导致幅度和定时 测量不准确。

泰克 4 系列 B MSO 可以补偿从探头尖端到测量系统的 延迟，确保进行最准确的定时测量。您可以手动校正探头 时延，把探头连接到相同的波形源，然后把延迟加到较 快信号的信号路径中，这样就可以在时间上对准信号，而 不必以物理方式在较短的探头电缆中增加电缆长度。 

4 系列 B MSO 还提供了单键“静态”时延校正功能。示波器从探头中读取标称传播延迟，计算出两 只探头之间的延迟差约为 1.48 ns。您只需按 OK，Deskew 按钮就会调节 信号之间的相对定时。

消除探头偏置

差分探头可能有很小的电压偏置。这个偏置可能会影响 精度，应先消除这个偏置后再继续测量。大多数差分电 压探头有内置 DC 偏置调节控制，因此去除偏置相对简 单。

对电流探头消磁

消磁功能会消除变压器磁芯中任何残留的 DC 流量，这 可能是由大量的输入电流引起的。这种残余流量会导致 偏置误差，应消除这种误差，提高测量的准确度。

泰克 TekVPI 电流探头提供了一个消磁警告指示灯，会警 告用户执行消磁操作。消磁警告指示灯非常重要，因为电 流探头会随着时间推移产生漂移，可能会明显影响测量。

输入分析

工频测量表征设计对输入变化、设计吸收的电流和功率 以及设计的工频电流失真的反应。某些测量如功耗是关 键指标。其他测量如功率因数和谐波，可能会有法规限 制。

功率质量测量

在 4/5/6-PWR 中，功率质量测量是一套标准功率测量。 它们通常在 AC 线路输入上执行，但也可以应用到器件的 AC 输出上，如功率逆电器。这些测量包括：

频率

RMS 电压和电流

波峰因数 ( 电压和电流 )

有功率、无功功率和视在功率

功率因数和相位

进行测量

通过使用差分探头测量系统的工频电压，使用电流探头 测量系统的工频电流，可以简便地进行功率质量测量。也 可以使用相同的设置，来测量电流谐波。

测量结果

频率：电压波形的频率，单位为 Hz

VRMS：显示的电压波形的均方根值

IRMS：显示的电流波形的均方根值

电压波峰因数：电压的峰值幅度除以电压的 RMS 值

电流波峰因数：电流的峰值幅度除以电流的 RMS 值

有功率：测量的系统的实数功率，单位为瓦特 (W)

无功功率：临时存储在电感或电容单元中的虚数功率，用 Volt-Amperes-Reactive (VAR) 表示

视在功率：测量的复合功率的绝对值，单位为伏安 (VA)

功率因数：有功率与视在功率之比

相位：有功率与视在功率之间的角度，单位为度

谐波

当非线性器件使流入电路的电流失真时，就会发生电流 谐波。线性电路只在基础工频吸收电流，但非线性电路 在基础频率的倍数上吸收电流，每个谐波有不同的幅度 和相位。

在电流与谐波流经配电系统的阻抗时，会产生电压失真。 热量会在线缆和变压器中积聚，在连接到电网的开关电 源数量提高时，电网上的谐波失真也会提高。

进行测量

使用差分电压探头测量工频电压，使用电流探头测量工频电流。

测量结果

Results 标签显示了选择的谐波标准、基础谐波和三阶谐波幅度、THD-F、THD-R、RMS 值和通过 / 未通过状态。

可以选择各个谐波，测量值在结果标签、柱状图和结果表之间链接起来。

谐波表包括：

选择的谐波标准

谐波数和频率

幅度 (RMS)：谐波测得的 RMS 幅度值，单位为 dBμA 或 A

幅度 (%)：相对于基础频率的谐波测得幅度

相位：相对于频率基准的谐波相位，单位为度

极限：指定标准规定的谐波极限

状态：预一致性测试通过 / 失败状态

裕量：实测值与极限之差

电流谐波可以用分贝微安 (dBμA) 或安培 (A) 为单位显示

浪涌电流和输入电容

通常，浪涌电流会在首次通电时出现。电源转换器在其 输入电容充电时会汲取相对较高的电流。初始浪涌之后， 除非发生其他系统变化，否则电流将维持在稳定状态。 浪涌电流测量可提供有关电源设计的重要信息，包括保 护器件的尺寸。在极端情况下，浪涌电流会导致交流线 路电压骤降。

浪涌电流和输入电容直接相关，且两者均可提供重要的 详细信息，让工程师充分了解电源转换器的启动特性。

开关分析

电源开关阶段的测量确认转换器是否正确运行，量化损 耗来源，确认器件在正常范围内工作。

开关损耗测量

在各种物理电容器和寄生电容器充电时，会发生开通损 耗，电感器会产生磁场，会发生相关的瞬态电阻损耗。 同样，在开关电源关断时，即使市电已经拔下，仍会有能 量放电并与各种元件交互，因此也会发生损耗。

进行测量

为了进行开关损耗测量，示波器必须测量经过开关上的 电压和流经器件的电流。开关损耗结果如图 11 所示。

测量结果

Ton：每个周期开通功率和能量损耗值的均值

Toff：每个周期关断功率和能量损耗值

Total：每个周期总平均功率损耗和平均能量值

左右箭头按钮可以遍历开关周期，放大查看问题区域

还可以在结果表中查看测量数据。这个表格会显示所 有开关周期的累积测量结果，迅速进行复核。

进行测量

在电源中运行晶体管时，确定晶体管的 SOA 的主要 挑 战之一，是在各种负载场景、温度变动和工频输入电压 变化下准确地捕获电压和电流数据。4/5/6-PWR 自动实 现数据捕获和分析，简化了这一任务。测量要求探测开 关晶体管上的电压和流经的电流。

测量结果

在设置完成后，会显示 SOA 测试 结果，如图 14 所示。电压和电流波 形在 XY 模式下在一条记录中绘制。示图显示了一个采集周期的所有 数据。

结果标签显示了器件落在 SOA 模板外面的次数，给出了测试通过 / 未 通过结果。

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 AC 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 线圈的电压。电流探头则测量流经变压器的电流。然后 示波器和功率测量软件可以自动计算磁性功率损耗。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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 励 施 加到电源 的 输 入 端。此 测 量 需 要 直 流＋交 流 网 络求 和 装 置，例 如 Picotest 的 J2120A 线路注入器。

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。

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）。

输出分析

必须评估任何 DC 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 DC 输出上的 AC 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。

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。

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 (AC 或 DC）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（High 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。

一旦测量配置完毕，会显示结果，如图 26 所示。

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。

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。

 显示了拥有 1 个输入和 3 个输出的 AC-AC 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。我们测量（在本例中仿真）了每个输入和输出的电压和电流：

Ch 3: 输入电压

Ch 4: 输入电流

Ch 7: 输出 1 电压

Ch 8: 输出 1 电流

Math 3: 输出 2 电压

Math 4: 输出 2 电流

Math 6: 输出 3 电压

Math 7: 输出 3 电流

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 

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。 

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。 

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 “Save as”（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。

小结

通过结合使用 4/5/6-PWR 应用与 5 系列 MSO 示波器， 工程师可以迅速进行准确的、可重复的测量，而且设置 时间非常短。最重要的是，他们不需要进行手动计算， 示波器应用完成了计算工作。通过使用截图和报告，工 程师可以简便地提供仪器设置方式、波形和测量结果等 完整的文档。