使用泰克示波器測量電源開關損耗
隨著人們需要改善功率效率，延長電池供電的設備的工作時間，分析功率損耗及優化電源效率的能力比以前變得更加關鍵。效率中一個關鍵因素是開關器件的損耗。本應用指南將概括介紹這些測量，以及使用示波器和深頭進行更好、更可重復的測量的部分技巧。
典型開關式電源的效率可能約為87%，也就是13%的輸入功率在電源內部耗散了，主要以廢熱的形式。在這些損耗中，很大一部分耗散在開關器件扣，通常是MOSFETs或IGBTS。
在理想情況下，開關器件象照明開關一樣要么“開”、要么“關”，并在這兩種狀態之間瞬時切換。在“開”的狀態下，開關的阻抗是零，開關中沒有功率耗散，而不管有多少電流流經開關。在“關”的狀態下，開關的阻抗是無窮大，流經的電流是零，因此也沒有功率耗散。
在實踐中，某些功率是在“開”(傳導)的狀態過程中耗散的，而通常來說，在“開”和“關”(關閉)轉換及在“關”和“開”(打開)轉換期間耗散的功率要明顯高得多。
之所以發生這些不理想的特點，是因為電路中存在著寄生要素。如圖 3b 所示，柵極上的寄生電容會降慢器件的開關速度，延長打開時間和關閉時間。在漏極電流流動時，MOSFET 漏極和源極之間的寄生電阻都會耗散功率。
傳導損耗
在傳導狀態下，開關中的電阻和電壓確實會有小的下 降，開關耗散的功率與流經的電流有關。
對MOSFET，這種功率的模型一般為：
- 其中 ID 是漏極電流
- RDSon 是漏極和源極之間的動態開點電阻，通常 <1 W
- VDS 是漏極和源極之間的飽和電壓，通常 < 1 V
對 IGBT 或 BJT，這種功率的模型一般為：
- 其中 IC 是集電極電流
- VCEsat 是集電極和發射器之間的飽和電壓，通常 < 1 V
打開損耗
在打開過程中，流經開關的電流迅速提高，器件中的電壓下降迅速減少。但是，電容要素比如 MOSFET 中的 柵極到漏極電容，會阻止開關瞬時打開。在器件將要打開時，會有明顯的電流流經器件，器件中會有明顯的電 壓，會發生明顯的功率損耗。
對 MOSFET，在打開過程中，這種功率的模型一般為：
- 其中 ID 是漏極電流
- VDS 是漏極和源極之間的電壓
對IGBT或BJT，在打開過程中，這種功率的模型一般為：
- 其中 IC 是集電極電流
- VCE 是集電極到發射器電壓
關閉損耗
同樣，在關閉過程中，流經開關的電流迅速下降，器件中的電壓下降迅速提高，但電路寄生要素會阻止開關瞬時關閉。在器件將要關閉時，會有明顯的電流流經器件， 器件中會有明顯的電壓，會發生明顯的功率損耗。其同樣適用上面的公式。
測量開關損耗
測量開關損耗有兩種方法：可以使用手動設置及內置示波器測量功能測量，某些示波器上還提供了自動測量系統。自動測量的優勢是設置簡便，提供了簡便的可重復 的結果。不管采用哪種技術，審慎的探測和優化都將幫助您獲得優異的結果。
探測和測量設置
在討論具體功率測量前，進行準確的、可重復的測量有六個關鍵步驟：
1. 消除電壓偏置誤差：差分探頭中的放大器可能會有略微的DC電壓偏置，會影響測量精度。使輸入短路，不應用信號，在探頭中把DC偏置自動或手動調節為零。
2. 消除電流偏置誤差：電流探頭還可能會由于探頭的殘余磁性而產生 DC 偏置誤差，及產生放大器偏置。關閉下鄂，不應用信號，在探頭中自動或手動清零DC偏置。
3. 消除定時誤差：由于瞬時功率測量是在多個信號基礎上計算得出的，因此信號必須正確對準時間。可以使用不同的技術，測量電壓和電流；流經這些器件的傳播延遲可能會明顯不同，導致測量誤差。通過調 節通道間定時，考慮時延校正菜單中的標稱傳播時延， 一般可以獲得優異的結果。為獲得最準確的結果，對所有信號使用高轉換速率信號，審慎地消除所有通道之間的任何相對定時偏置 (時延)。
4. 優化信噪比：在所有測量系統中，尤其是在現代示波器等數字設備中，優秀的測量技術要求把信號保持得 盡可能大 (沒有削波)，以使噪聲的影響達到最小，使垂直分辨率達到最大。這包括在探測信號時使用最低的必要衰減，使用示波器的全部動態范圍。
5. 信號調節：通過調節輸入信號，也可以改善測量質量。可以使用帶寬限制功能，選擇性地降低關心的頻率以上的噪聲，可以使用平均功能，降低信號上不相關的噪聲或隨機噪聲。HiRes采集模式(一種波形串平均技術)提供了帶寬限制和降低噪聲功能，提高了垂直分辨率，甚至可以用于單次采集的信號。
6. 精度和安全：為實現最佳精度，一定要在正常工作范圍內及低于額定峰值水平使用設備。為確保安全，一直要在設備的絕對最大指標范圍內操作，并遵守制造商的使用說明。
測量開關損耗 - 手動設置和內置測量
測量關閉損耗的方式之一是使用選通測量，其目標是測量關閉階段中耗散的平均功率。在本例中，我們使用差分電壓探頭采集MOSFET的VDS，在圖4中用黃色顯示。我們使用AC/DC電流探頭采集漏極電流，在圖中用青色顯示。我們調節每條通道的垂直靈敏度和偏置，因此信號占用垂直范圍的一半以上，但沒有擴展到格線的頂部和底部。穩定的顯示對可視分析非常重要，因此示波器的邊沿觸發設置成電壓波形上的50%點。然后設置采樣率，在信號邊沿上保證充足的定時分辨率。在本例中，10MS/s 的采樣率在開關波形的每個邊沿上導致許多樣點。最后，啟用HiRes采集模式，把信號帶寬降低到大約4.4 MHz，把垂直分辨率提高到大約12位。
然后使用波形數學運算，把電流乘以電壓，得到橙色瞬時功率波形。使用自動測量功能測量功率波形的平均值或中間值，采用光標選通功能把該測量限定在關閉區域。為提高平均功率測量的分辨率和可重復性，可以平均多次采集中的測量值，消除隨機噪聲的影響。
在本例中，圖 4 畫面左下角顯示了得到的1000 多次
關閉功率測量的平均值。 在本例中，工程師手動調節示波器，優化關閉損耗測量的質量。日后，這名工程師或另一名工程師可能會以略微不同的方式設置測量，得到不同的測量結果。通過功率分析軟件自動進行測量，可以消除許多變化來源。
測量開關損耗 - 使用功率分析軟件自動進行
測量
為統一優化設置，改善測量重復能力，可以使用功率 測量應用軟件。在本例中，DPOPWR 高級功率分析 應用軟件為開關損耗測量提供了定制自動設置功能，只需按一個按鈕，就可以執行全套開關損耗功率和能量測量。
轉換速率和開關損耗
正如檢測瞬時功率波形預計的及圖 5 中開關損耗測量值所示的那樣，關閉損耗是總開關損耗中主要的損耗機制。這么高的損耗的潛在原因是開關驅動電路的性能。如果驅動信號的跳變時間或轉換速率低于預期，那么開關在開態和關態之間保持的時間要長于預期，開關損耗將高于預期。
轉換速率測量一定時間間隔中 ( 通常在邊沿上10%點和90%點之間 ) 的電壓變化，單位為伏/秒。由于數 學導數本身是一個高通濾波器，因此會加重噪聲，建議使用平均功能，降低隨機噪聲對這些測量的影響。通過把一個波形光標放在信號邊沿的 10% 點上，把另一個光標放在波形邊沿的90%點上，可以使用光標手動進行轉換速率測量。然后把電壓測量值除以光標之間的時間差，計算得出轉換速率。這種技術要求用戶估算波形上的10%和90%點，計算結果。
許多示波器可以使用自動測量改善這一過程。可以使用自動幅度和上升時間測量，確定信號的幅度，設置10%和90%幅度時的測量門限值，然后測量信號的上升時間。此外，在復雜的信號中，可以使用光標選通功能，把測量重點放在波形的特定部分。然后把幅度乘以 80%，除以上升時間指標，計算得出轉換速率。但是，功率分析軟件可以簡便地設置轉換速率測量，減少了測量結果中的變化，因為設計工程師會調節電路中的分量值。
對MOSFET柵極 (VGS，圖7中用通道3上的紫色顯示 )進行光標選通轉換速率測量顯示，開關信號要比設計指標慢得多，因為開關器件柵級的電容要高于預期。
如圖7中的垂直光標之間所示，指數衰落與柵極驅動電路的輸出阻抗、開關 MOSFET 器件的寄生柵極電容和柵極的電路板電容有關。在驅動信號的速度提高時，通過降低柵極驅動輸出阻抗及柵極節點的電容，開關損耗改善了大約30%，如圖8所示。開關損耗測量是優化開關式電源效率的關鍵部分。通過使用優秀的測量技術及自動進行功率測量，可以簡便、迅速、可重復地進行一系列復雜的開關損耗測量
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