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示波器耦合方式对电源负载动态恢复特性测试
发布时间: 2020-05-21
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这篇文章给我们的启示是: 测试测量仪器有很多细节是隐藏在水平面以下的,这些细节会导致您测量结果的不正确,产生一些莫名其妙的“BUG”——在正常情况下,这些BUG不能被激发出来,但这些BUG是存在的。就如文章中那个D公司的示波器,如果没有这样深入的研究,您会相信D公司示波器的某些型号不能用来测量电源负载动态恢复特性吗?
      这篇文章写于2009年5月。推荐这篇文章不只是因为它有点故事性,也是因为它有一定的专业性和普适性。电源负载动态恢复特性的测量对于电源研发是常见的测量。   
 
      这篇文章给我们的启示是: 测试测量仪器有很多细节是隐藏在水平面以下的,这些细节会导致您测量结果的不正确,产生一些莫名其妙的“BUG”——在正常情况下,这些BUG不能被激发出来,但这些BUG是存在的。

     就如文章中那个D公司的示波器,如果没有这样深入的研究,您会相信D公司示波器的某些型号不能用来测量电源负载动态恢复特性吗?
 
     唯求真!! 有些仪器在指标上看是没有问题的,在正常的情况下测试也没有问题的,但是在具体测试中可能会遇到坚硬的铁的事实是: 问题就在那。

     当有问题的厂商用一些常规测试来辩驳在特定情况下存在的问题时,那种辨解就显得非常苍白无力,而且充满了此地无银三百两的味道。因此,对于使用仪器的工程师来说,如果能加强对仪器本身的理解,很多时候可以事半功倍。
 
    如果您有测试测量相关问题,欢迎联系鼎阳硬件设计与测试智库!

 一、问题的提出

    开关电源测试中通常都要测量负载动态恢复特性,其目的是测试输出负载变化情况下,电源输出电压稳定在整定值的能力。最关注的测试指标是过冲幅度和恢复时间。 图一所示为过冲幅度和恢复时间的定义及测试方法接线图。恢复时间是指直流输出电压随着负载的变化开始出现过冲开始,恢复至小于等于并不再超过负载调整率处止的这段时间。(没有输出负载调整率要求的以输出电压范围界定)

 数字示波器恢复时间的定义及测量方法接线图
图一 过冲幅度和恢复时间的定义及测量方法接线图

       过冲幅度是指负载变化带来的过冲的最大值和电压稳态值的电压差。测试要求在全范围输入电压条件下,分别测试输出负载按照额定值的25%-50%-25%,以及按照额定负载的50%-75%-50%跳变(注:具体负载跳变的要求,对于不同的电源产品要求可能会不一样)时,观察示波器上检测到的过冲幅度和恢复时间,按图一定义记录过冲幅度及恢复时间。

       输出电流变化速度要求不小于一定的值(根据不同电源要求的规格书或司标要求而定),跳变时间间隔要大于完全稳定所需时间(稳定时间长表明环路会比较慢,需要注意考察其他相关项目是否合格),示波器上波形建议有2到3个周期为好(包括正、负)。
 
问题:在进行上述测试时,示波器通道耦合方式应该选择为交流耦合还是直流耦合? 很多公司都按交流耦合的方式测试。我之前也没有怀疑过这种方法,直到有一天有客户发现用D公司的示波器测试结果和L公司的测试结果差别很大。如图二所示,两个示波器都是用AC耦合,L公司示波器测量出来的恢复时间大约为27ms,D示波器测试出来的大约为198ms。 如果按L公司的测试结果就合格,按D的测试结果就不合格。
 
      为什么会有上述差别? 哪个结果是正确的? (有些工程师看到所在公司大都是用L公司示波器,于是就认为L公司的结果是正确的; 有些工程师看到所在公司用大都是用D公司的示波器,于是就认为D公司的结果是正确的。遇到这种先入为主的判断是在销售示波器的过程中令人感到痛苦甚至有点伤心的时刻。)

 L公司示波器测量的恢复特性
图二 L公司示波器测量的恢复特性
 
 D公司示波器测量的恢复特性
图三 D公司示波器测量的恢复特性
 
  • 示波器的AC耦合    
     示波器的AC耦合方式通常理解为在示波器的输入通道增加了一个隔直电容,示波器的前端放大器的特性在AC耦合时表现为带通滤波器。不接探头时,L公司示波器和D公司的示波器在AC耦合时的低频段的截止频率是很接近的,都小于10Hz(典型值8Hz)。

     但D示波器在连接探头之后的截止频率会降低10倍,大约0.7Hz,这在频域上理解就是不能完全隔断直流信号,所以在时域上表现为充电时间更长,测试出来的恢复时间会大很多。L公司示波器的截止频率不受探头的影响,截止频率仍然是8Hz左右。这说明用D示波器的AC耦合方式测试出来的恢复时间的结果是完全错误的。图四和图五分别画出了两种不同示波器在有无探头时的幅频特性。

 D示波器在连接探头和不接探头时的幅频特性
图四  D示波器在连接探头和不接探头时的幅频特性,连接探头之后截止频率降低10倍
 
 L公司示波器在连接探头和不接探头时的幅频特性是一样
图五 L公司示波器在连接探头和不接探头时的幅频特性是一样的

        我们可以通过实验来验证上面的幅频特性。 将0.1Hz的方波信号通过BNC线直接输入到D公司的示波器的通道1,同时通过无源探头输入到示波器的通道2。两个通道都设置为AC耦合。图六显示了两个通道测试出来的结果对比。

        通道1的恢复时间为30ms,通道2因为通过探头连接,恢复时间非常长。为什么?还是那个原因,在连接探头之后,截止频率降低为0.7Hz,截止频降低在时域上理解就是时间常数更大,充电时间更长,需要接近200ms。这就是为什么前面客户用D公司的示波器来测试出来的恢复时间是那么地长。   

 通道1为探头连接,通道2为BNC线连接
图六 通道1为探头连接,通道2为BNC线连接
 通道1为探头连接,通道2为BNC线连接
图七 通道1为探头连接,通道2为BNC线连接

      将相同的信号按相同的方法分别输入到L公司的示波器的通道1和通道2,显示两个通道的测量结果是一致的。这说明L公司示波器在AC耦合方式下,截止频率不会因是否连接探头而变化。

     为什么D公司的示波器的截止频率会在AC耦合时降低10倍呢? 答案比较隐蔽:在D示波器中,AC耦合电容是直接连接到通道输入端的,而且AC耦合电路没有任何buffer设计,截止频率当然就会受到外部输入的影响。如图八所示。不接探头时,1M欧姆的输入电阻和AC电容(大约0.02uF)串联,时间常数为R * C,截止频率为1/(2 * PI * R * C )=1/(2*3.14*1*10^6(1MOhm)*0.02* 10^-6),约等于8Hz。当接上X10无源探头之后,探头的9M欧的电阻和输入端1M欧电阻串行在了一起,时间常数增加10倍,截止频率降低10倍。
 
 数字示波器的输入电路原理框图
图八 示波器的输入电路原理框图

       在L公司示波器设计中采用了两种方法保证截止频率不受到外部连接探头等输入源的影响,一种方法是将AC耦合电路放在了放大器的后面,另外一种方法是通过缓冲器将探头的电阻和AC耦合电容隔离出来,保证时间常数(截止频率)基本不变。

       L公司的某款示波器的AC耦合电路设计如图九所示,通过耦合电容左边的400K欧电阻与探头的9M欧电阻及输入端800K欧电阻并联,然后再和耦合电容及400K欧的电阻串联,时间常数中的R由1M欧变化为784K欧,因此,截止频率基本不变。  

 带有Buffer的AC耦合电路设计
              图九 带有Buffer的AC耦合电路设计
 
三、正确的测量方法
 
       既然L公司的AC耦合不受探头的影响,那么是否可以说负载动态特性的测量的正确方法是:第一,如果要使用无源探头测量恢复时间,就一定要用L公司示波器并将耦合方式设置为AC耦合。第二,如果迫不得已,一定要用D公司的示波器就必须用BNC线来测量并一定要将耦合方式设置为AC耦合?
 
问题来了:用AC耦合方式就一定是正确的吗? 让我们跳出L公司示波器和D公司示波器的厂商之间纠葛的圈子,以纯学术性思维来思考电源负载动态恢复特性测量这一问题的本身。

        如果我们仔细观察图三中D示波器测量的波形,我们会发现开始部分(蓝色标记的部分)下降得很快,我想这部分可能表示了真正的电路恢复特性。在L公司的测量波形看不到下降特别快的单独部分,但D示波器有很长的时间常数,所以可看出不同的表现形式。

 事实上,对于电源动态负载恢复时间测量,我们希望测量到的应是图九所示的红圈标识部分的时间。将此波形分解为两部分,一部分是在稳态电压,另外
 
 数字示波器在DC耦合方式下测量恢复时间
图十 示波器在DC耦合方式下测量恢复时间
 
            一部分是从负载跳变的转换部分。在DC耦合时,蓝色和红色部分理论上都能准确地测量出来,如图十一的蓝色虚线所示。但在AC耦合时,测量到的红色部分是由AC耦合电容和电阻构成的时间常数大小决定的。蓝色的转换部分可能会受到AC耦合的时间常数的影响。

     如果AC耦合的时间常数远小于被测电源的恢复时间,那么可以用AC耦合方式,但在实际测量中通常都难以满足这个条件。
 
    为了准确的测量,您需要消除掉红色部分的的影响,因此,最好是用DC耦合。图十二的通道1和通道2波形分别是DC耦合和AC耦合时的测量结果。但在DC耦合下,又有两个问题:第一,被测电压很大时,譬如测量48V的电压,示波器的量程需要设置得比较大(譬如10V/div),这时候负载变化带来的电压转换部分在示波器中的所占的区域就很小,量化误差很大,难以准确分辨、测量出过冲幅度和恢复时间。

    如果将示波器量程设置小一些,就需要大幅度调节DC偏置电压,但在小量程下普通无源探头的偏置电压范围是有限的,那么示波器就可能显示不出来负载变化的部分。 第二,负载的快速动态变化会使探头和示波器的放大器有过载的可能从而产生过载恢复时间和过载电压,这也会影响到测量结果。

 DC耦合与AC耦合对测量的影响
图十一  DC耦合与AC耦合对测量的影响
 DC耦合和AC耦合测量结果差异
图十二  DC耦合和AC耦合测量结果差异

        那么该怎样测量输出电压比较大的电源动态负载恢复时间呢?L公司的DA1855A差分放大器提供了很好的解决上述问题的方法。DA1855A具有很大的偏置范围、非常优异的过载恢复能力及最好的共模抑制比。在DC耦合下也不用担心偏置电压范围。对于小电压的恢复时间测量,就直接用普通无源探头,设置为DC耦合方式就可以了。
 
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