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电源丈量中示波器带宽和采样率的挑选

1电源测量中带宽的选择示波器带宽有四个相关名词:模拟带宽、数字带宽,系统带宽和触发带宽。数字带宽等于采样率的一半,实用意义不大。

1 电源丈量中带宽的挑选

示波器带宽有四个相关名词:模仿带宽、数字带宽,体系带宽和触发带宽。数字带宽等于采样率的一半,有用含义不大。触发带宽是示波器厂商“硬”造出来的一个概念,是指示波器触发电路能够正常作业的最大输入正弦信号的频率。关于高端示波器,触发电路在输入信号频率超越必定巨细就不能作业了! 体系带宽是指示波器前端放大器和探头、测验夹具等组成的丈量体系的带宽。一般不特别阐明,带宽便是指示波器的模仿带宽,也便是示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点。示波器的放大器是低通滤波器,其幅频特性曲线如图1所示,带宽便是输入电压幅值降低到输入
-3dB(70.7%)时的截止频率点。

带宽挑选的理论依据,用一句话来归纳便是带要能掩盖被测信号能量的99%以上。咱们知道,任何信号都能够分化为无数次谐波的叠加,可是被测信号分化到多少次谐波之后能量会衰减到只剩下1%呢? 这个答案不直观,因而带宽的挑选是示波器职业的出售人员简直每天都会遇到的问题。这个问题有时侯很严厉,有时侯很诙谐。其实,带宽的挑选是一个相对的成果,它取决于被测信号的类型和丈量的精确度。最要害的要素是上升时刻。上升时刻越小,上升沿越陡,被测信号的高次谐波含量越丰厚,需求的带宽越大。这儿边就需求一些数学上的推导来确认详细上升时刻和信号能量之间的量化联系。业界比较认可的两个带宽挑选的准则是:

· 当被测信号是串行数据时,串行数据的上升时刻假如大于20% UI(一个比特位的时刻长度),那么示波器带宽只需到达被测信号比特率的1.8倍就能掩盖信号能量的99.9%。 假如上升时刻大于30% UI,只需1.2倍信号的比特率就满足了。实践电路中,串行数据的上升时刻绝大大都在接纳端时都大于30%了。因而,关于3Gbps的SATA信号,在通过夹具之后用4GHz示波器就能够。 咱们能够用4GHz、6GHz、13GHz测验后比较一下看看。

·电源不是串行信号,上面的规矩并不适用。 在好久好久以前,业界一就直撒播的带宽挑选依据是“3到5倍”规律,即带宽是被测信号频率的“3到5倍”。其实这儿边没有着重上升时刻,这个规律不行具有普适性。SI之父Howard Johnson以其个人威望给出一个从示波器上升时刻来挑选带宽的准则,但他没有给出详细的推导。

Howard以为,当示波器上升时刻小于被测信号上升时刻的1/3时,丈量成果的差错小于5%。示波器上升时刻约等于0.35/示波器带宽。 这儿边0.35是依据抱负的低通滤波器模型RC电路推导的,实践或许是0.45,0.5不等。因而,咱们能够依据信号的上升时刻推导出需求的示波器上升时刻,再依据示波器手册或0.35的联系式挑选示波器带宽。

关于带宽的挑选,业界充满着不专业,不负责任的言辞。这是值得警觉的。

让咱们回到问题自身,关于开关电源的带宽挑选,要看详细丈量需求。开关电源需求丈量的信号或许包括:

· 丈量开关管(干流是MOSFET)的带宽挑选

电源调试中,要重复丈量开关管的漏源极电源Vds,驱动电压Vgs,漏源极电流Ids等,以确认上下开关管的死区时刻以避免开关管“直通”导致电源炸机,要丈量驱动信号波形,该波形的上升沿缓慢,开关管损耗会更大,上升沿陡,开关管损耗会更小,但漏源极过冲会更大。 最重要的丈量是保证Vds的电压峰峰值在各种动态条件下不会超个开关管Vds的最大限值。这些动态条件包括负载从空载到满载,满载到空载的跳变; 负载在50%-75%-50%,25%-50%-25%之间的来回接连的跳变,以及开机软启动进程Vds的峰值电压。这些动态条件下精确丈量Vds的影响要素许多,在此不逐个细述。 这个测验项目在电源工程师心中的重要性我深以为然。这个值丈量不精确,或许会导致开关管简单被损坏,或许是开关管的耐压值超越实践需求,影响到本钱。开关管Vds额定值越大,价格越贵。 因而,许多电源工程师纠结在这儿。

开关管的上升时刻取决于开关管详细型号。 一般功率小的电源开关频率能够到达1MHz乃至更大,对应的开关管的上升时刻越小。功率大的电源开关管开关频率小,只需100KHz乃至更小,上升时刻大。可是大都开关管上升时刻到达了100ns。即便开关管上升时刻只需30ns,1/3的上升时刻也有10ns,而100MHz的示波器的上升时刻只需3.5ns。因而,用100MHz带宽示波器丈量开关电源的开关管是满足的。其实,很少有开关管上升时刻只需30ns的,约束带宽到20MHz就满足了。但这点从前遭到有些电源工程师的质疑,他以为关于Vds的高压信号,要看尖封毛刺部分的上升时刻,研究其包括的能量。

这儿要特别阐明的是,丈量开关管特别是半桥或全桥电路的上半桥,由于是不对地的悬浮高压,一般要用高压差分探头丈量。现在高压差分探和电流探头90%以上都是第三方OEM的,最大带宽只需100MHz。尽管标称带宽是100MHz,但往往不是和示波器进行一体化规划、校准的,因而,和100MHz示波器组成的体系带宽只需70MHz。但假如用200MHz示波器,和100MHz的探头组成的体系带宽则能够到达100MHz,假如您以为Vds的尖峰毛刺的信号能量是必须用100MHz丈量的话。

· 丈量电源体系的监控部分电路的带宽挑选

有些杂乱的电源体系,有许多电源模块组成,需求运用DSP或许Power PC来作为操控中心。有一些外设存储单元,键盘监控单元等。这将涉及到时钟信号,CAN操控信号,I2C,SPI等信号的丈量。这些信号的速率除时钟频率外都不高。假如为了丈量DSP时钟信号,最好要挑选500MHz带宽乃至1GHz,但电源工程师很少对这个时钟信号进行认真地丈量。 其它信号带宽都只需20MHz就能够了。

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