如何量測交換損失與導通損失?

  

  

 

本文將說明簡易參數量測(Area)與自動量測軟體的量測手法與注意事項

 

 

 

前言：為了達成節能的目的，80 Plus規範電源供應器的轉換效率要高於80%，以最高標的80 PLUS鈦金，轉換效率更要高達90%以上(依據不同輸入電壓及負載規格有所不同)，損耗已是錙銖必較，運用示波器量測交換損失與導通損失是電源工程師的必備技能，藉此作為元件選用與設計驗證的依據。

 

 

量測前的注意事項:

 

 

1. 示波器的垂直歸零校正：如果您是用通道1與通道2進行量測，請先將探棒移除，暖機30分鐘後觀察通道1與通道2的時跡線與接地準位間是否有偏移(Offset)，如果有偏移必須進行垂直歸零校正，在固緯的示波器中稱為訊號路徑補償SPC (Single Path Compensation)，經過SPC後能有效降低此偏移。沒有歸零會造成導通損失的量測誤差。
   
   
2. 電壓探棒與電流探棒的歸零校正：示波器垂直歸零後接上探棒，如果此時發現與接地準位有偏移，由於示波器已進行過歸零，此時的偏移便可確認為是來自探棒的偏移，此時可調整探棒上的歸零。沒有歸零會造成導通損失的量測誤差。
   
   
3. 電壓探棒與電流探棒的延遲時差校正：由於電壓探棒與電流探棒的長度不同，所以就算量測同一點，依然會因為傳導延遲的不同而有時差，如果不校正這個時差，會導致交換損失的量測誤差，因為電壓波形與電流波形有時差，乘法結果的功率波形自然會失真。但是電壓探棒與電流探棒連接待測物的機構不同無法量測同一點，此時必須透過佈局(Layout)經過精密設計的延遲時差治具(Deskew Fixture)來達成校正的目的。圖一為固緯GKT-100的產品圖，圖示中的電壓探棒與電流探棒雖然量的是不同點，校正治具上的兩個點視為同一點。

 

 

 

圖一：延遲時差治具Deskew board 示意圖

 

 

 

連接待測電路:

 

連接到待測電路之前，差動式電壓探棒如果是長導線需雙絞；電流探棒需消磁(de-gauss)

 

 

圖二：示波器與待測電路的接線 (通道1量電壓V_DS，通道2量電流I_DS)

 

 

量測開關元件損失:

 

 

圖三：損耗的波形示意圖

 

 

 

如圖三所示：

T₁~T₂為Turn on switching Loss發生的期間

T₂~T₃為 Conduction Loss 發生的期間

T₃~T₄為 Turn off switching Loss 發生的期間

量測以上損失示波器需要具備的功能：

 

 

方法一：手動量測

 

示波器具備乘法及除法的運算功能，將電壓波形與電流波形相乘得到功率波形；將電壓波形除以電流波形可得到動態電阻波形。

 

示波器量測參數具備面積(Area)的功能：此參數可積分功率波形，得到P*t的能量結果(焦耳：瓦*秒)

 

示波器具備局部量測(Gating)功能，透過游標量測T₁~T₂局部波形的能量再除以T₁~T₂的時間便可得到Turn on switching Loss功率(瓦)；重複上述操作，透過游標量測T₃~T₄局部波形的能量再除以T₃~T₄的時間便可得到Turn off switching Loss功率(瓦)，如果局部量測的區域為T₂~T₃局部波形的能量再除以T₂~T₃的時間便可得到Conduction Loss功率(瓦)，這個區間還可以透過除法得到R_DS on的值。

 

 

方法二：自動量測

 

固緯電子GDS-3000A系列示波器提供電源量測的自動化量測方案，透過自動的計算可節省量測的時間，圖四為固緯電子GDS-3000A示波器自動量測結果的範例。

 

 

圖四：示波器自動量測結果範例圖

 

 

圖五：GDS-3000A重要規格

 

 

 

GDS-3000A除了提供Switching loss 量測功能外，總計提供13項電源量測功能(如圖六所示)．完整涵蓋了AC input、DC output、Switching component analysis、Magnetics analysis and frequency response analysis可加速電源驗證。

 

 

圖六：GDS-3000A電源分析畫面

 

 

 

 

 

 

 

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