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巧用示波器的計(jì)算功能分析熱插拔電路 示波器技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-30    來(lái)源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
摘要:盡管數(shù)字示波器是電路實(shí)驗(yàn)室中較為常見的儀器,但有些功能可能并不為人所熟知,數(shù)字示波器的計(jì)算功能就是其中之一。其實(shí)利用數(shù)字示波器的計(jì)算功能可以簡(jiǎn)化對(duì)熱插拔和負(fù)載切換電路的分析。本篇應(yīng)用筆記將介紹如何利用示波器獲取MAX5976熱插拔電路中MOSFET功耗和負(fù)載電容的精確值。

簡(jiǎn)介

數(shù)字示波器的計(jì)算功能是數(shù)字示波器比較有趣的功能之一,可以簡(jiǎn)化和擴(kuò)展對(duì)熱插拔與負(fù)載切換電路的分析。巧用示波器的計(jì)算功能可以得出負(fù)載電容或MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的瞬時(shí)功耗,這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和分析熱插拔與負(fù)載切換電路非常有意義,如果沒(méi)有示波器計(jì)算功能,這類參數(shù)只能做近似估計(jì)。

本篇應(yīng)用筆記介紹如何利用示波器檢測(cè)熱插拔電路MOSFET功耗和負(fù)載電容的精確值。

設(shè)置示波器

簡(jiǎn)化起見,我們用圖1所示的MAX5976熱插拔電路來(lái)做演示,其內(nèi)置的檢流功能和帶驅(qū)動(dòng)的MOSFET構(gòu)成了一個(gè)完整的電源切換電路(下面的測(cè)試方法同樣適用于由分立元件搭的熱插拔控制電路)。按圖1所示方式將示波器探頭連至熱插拔電路,示波器即可獲取計(jì)算所需信號(hào),兩個(gè)電壓探頭分別接輸入和輸出,用于檢測(cè)MOSFET兩端壓降,電流探頭用來(lái)檢測(cè)流過(guò)MOSFET的電流。


圖1. 示波器探頭連至MAX5976或MAX5978熱插拔電路,示波器則利用測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算

這個(gè)基本連接方式同樣適用于非集成的熱插拔電路。測(cè)試輸入和輸出電壓的探頭分別接到MOSFET的前面和后面(MAX5976的MOSFET在內(nèi)部,MAX5978則是外置MOSFET),電流探頭要與電路檢流電阻串聯(lián)。為了測(cè)到流經(jīng)開關(guān)元件的精確電流值,電流探頭應(yīng)該放在輸入電容后,輸出電容前的位置。

MOSFET功耗

開關(guān)器件(通常是n溝道MOSFET)的功耗等于漏極/源極電壓差(VDS)與漏極電流(ID)的乘積。圖1中,VDS是通道2和通道1的差,ID是電流探頭直接測(cè)量的結(jié)果。我們用的示波器(Tektronix® DPO3034)有一個(gè)專門的計(jì)算通道,可以通過(guò)如下(圖2)菜單配置。


圖2. DPO3034數(shù)字示波器的高級(jí)計(jì)算菜單可以直接編輯計(jì)算公式

通過(guò)簡(jiǎn)單編輯一個(gè)公式,實(shí)現(xiàn)通道1與通道2之差乘以電流探頭測(cè)得的值,從而得出MOSFET功耗。當(dāng)熱插拔電路使能后,輸出電壓以dV/dt的斜率接近輸入電壓,流經(jīng)MOSFET的輸出電容充電電流(ID)為:

ID = COUT × dV/dt

當(dāng)輸出電容為360μF,VIN = 12V時(shí),MOSFET導(dǎo)通瞬間示波器屏幕截圖如圖3a所示。MAX5976將瞬時(shí)浪涌電流限制在2A。注意功率波形是一個(gè)下降的斜坡,開始于12V × 2A = 24W,當(dāng)輸出電壓升至12V時(shí)降至0W,熱插拔電路以恒定電流為負(fù)載電容充電,這正是我們所期望的。


圖3a. 圖1電路中的MOSFET功耗(紅色波形),COUT = 360μF,浪涌電流被限制在2A

如此方式測(cè)得的功率波形可用來(lái)判斷MOSFET是否工作在其安全工作區(qū)(SOA),或根據(jù)數(shù)據(jù)資料的相關(guān)圖表估算MOSFET結(jié)溫的溫升。根據(jù)實(shí)測(cè)波形直接進(jìn)行計(jì)算的誤差要小很多。另外,即使如圖3b所示的浪涌電流和dV/dt都不是常數(shù),功耗的測(cè)量波形依然精確。


圖3b. 浪涌電流和dV/dt都不是常數(shù)時(shí),測(cè)得的功耗波形依然精確。此處的浪涌電流就沒(méi)有限流

如果示波器支持積分功能,則能進(jìn)一步得出MOSFET在任何高耗能事件中的實(shí)際總能耗。圖4新增紅色曲線為利用示波器積分功能計(jì)算出MOSFET消耗的能量信息。


圖4. 對(duì)功率積分可以得出圖1電路中MOSFET在開啟階段的總能耗

如圖3a所示,COUT為360μF,浪涌電流被限制在2A。由于功率在MOSFET開啟的2ms內(nèi)是一個(gè)三角形狀,可以算出大約有24W/2 × 2ms = 24mJ的能量變成了熱??梢钥闯?,當(dāng)MOSFET開啟結(jié)束時(shí),示波器積分功能計(jì)算出的能量數(shù)據(jù)就是24mWs (= 24mJ)!

此類功能還適用于分析MOSFET的其它瞬態(tài)事件,如關(guān)斷,短路或過(guò)載。如此詳盡的功率和能量數(shù)據(jù)可用來(lái)精確分析MOSFET瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)的SOA和溫度特性。

測(cè)量負(fù)載電容

數(shù)字示波器計(jì)算功能中的積分功能還可用來(lái)測(cè)量熱插拔電路中的負(fù)載電容。

假設(shè)不考慮電路阻抗對(duì)電流的影響,則負(fù)載電容值等于電容電壓每變化一伏改變的電量;而電量就是電流對(duì)時(shí)間的積分。因此,對(duì)熱插拔電路浪涌電流除以輸出電壓的值進(jìn)行積分,數(shù)字示波器就可以精確計(jì)算出負(fù)載電容值大小。圖5a中,熱插拔控制器輸出有三個(gè)10μF陶瓷電容。由于作為分母的電壓初始值為零,所以計(jì)算曲線的開始階段沒(méi)有任何實(shí)際意義。但VOUT超過(guò)伏后,計(jì)算出的電容值大約為27μF。可以看出,盡管示波器的功能已經(jīng)十分強(qiáng)大,但仍不能如我們所希望的那樣正確顯示電容值單位!


圖5a. 當(dāng)COUT = 30μF時(shí),圖1電路測(cè)得的輸出電容值。

圖5b的測(cè)試和圖5a相同,但在輸出電容處增加了一個(gè)330μF電解電容,當(dāng)MOSFET開啟結(jié)束時(shí),可以看到示波器顯示結(jié)果恰好就是360μF,正是我們所期望的。注意阻性負(fù)載會(huì)降低電容測(cè)試的精度,因?yàn)樗鼤?huì)分流進(jìn)入電容的電荷。但對(duì)于瞬態(tài)時(shí)間分析,結(jié)果依然非常有用。


圖5b. 當(dāng)COUT = 30μF + 330μF時(shí),圖1電路測(cè)得的輸出電容

【導(dǎo)讀】示波器的游標(biāo)可以讀出信號(hào)圖兩點(diǎn)之間的橫坐標(biāo)差值或者縱坐標(biāo)差值,其中橫坐標(biāo)差值代表了時(shí)間差,縱坐標(biāo)差值代表了幅度差。以一個(gè)已知峰峰值為2Vpp,頻率為1K



    示波器的游標(biāo)可以讀出信號(hào)圖兩點(diǎn)之間的橫坐標(biāo)差值或者縱坐標(biāo)差值,其中橫坐標(biāo)差值代表了時(shí)間差,縱坐標(biāo)差值代表了幅度差。以一個(gè)已知峰峰值為2Vpp,頻率為1KHz的正弦信號(hào)為例,用游標(biāo)測(cè)量它的周期和峰峰值。

    第一,按下(10)CURSOR按鈕,在屏幕的右方出現(xiàn)一列選擇菜單,見圖1顯示屏右側(cè)部分。當(dāng)前測(cè)量類型是關(guān)閉的,表示游標(biāo)還沒(méi)有被使用。我們可以按下 “類型” 菜單對(duì)應(yīng)右邊,即圖四中黃色框住的按鈕,切換至幅度。而“信源”則選擇被測(cè)通道的信號(hào),在該例子中就是CH1,不用改動(dòng)。


圖1 CURSOR按鈕
    第二,按下圖1中黃色框住的按鈕,先把“類型”設(shè)為“幅度”,這時(shí)得到圖2的屏幕顯示,可以見到游標(biāo)是橫向的,屏幕右側(cè)菜單中,“光標(biāo)1”和“光標(biāo)2”下面的讀數(shù)是縱坐標(biāo)值,也就是幅值。而“△V=5V”就是兩游標(biāo)的差值。

圖2 移動(dòng)游標(biāo)

    第三,旋轉(zhuǎn)多能能旋鈕,把光標(biāo)1移到正弦信號(hào)的頂部。

    第四,按下菜單“光標(biāo)2”右側(cè)對(duì)應(yīng)的按鈕,使“光標(biāo)2”菜單高亮度,同樣旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕,把光標(biāo)2移到正弦信號(hào)的最底部,這時(shí)讀出的△V即為信號(hào)的峰峰值,見圖3。

圖3 讀數(shù)

    坐標(biāo)讀時(shí)間的方法和讀幅度的方法一致,這里不累述,請(qǐng)同學(xué)們多操作來(lái)熟悉。





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