首先，讓我們明確示波器功率分析可以實現什么功能：

1.分析整體諧波失真和有效功率，取決于功率、功率因素和峰值因素。

電流諧波試驗按IEC61000-3-2標準進行。

3.測量開關設備的開關損耗和導通損耗。

4.分析電流和電壓的轉換率dl/dt和dv/dt。

5.示波器紋波測量自動設置。

6.分析脈沖寬度調制。

從傳統(tǒng)的模擬電源到高效的開關電源，電源的類型和大小都有很大的不同。它們都面臨著復雜而動態(tài)的工作環(huán)境。設備負荷和需求可能會在瞬間發(fā)生很大的變化。即使是日常開關電源也能承受遠遠超過其平均工作電平的瞬時峰值。設計電源或系統(tǒng)中使用電源的工程師需要了解靜態(tài)和最差條件下電源的工作。

在過去，描述電源的行為特征意味著使用數字萬用表測量靜態(tài)電流和電壓，并使用計算器或電腦進行艱苦的計算。今天，大多數工程師將示波器作為他們的首選電源測量平臺?，F代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件，簡化設置，使動態(tài)測量更容易。用戶可以定制關鍵參數，自動計算，并在幾秒鐘內看到結果，而不僅僅是原始數據。

電源設計及其測量要求。

理想情況下，每個電源都應該像它設計的數學模型一樣工作。然而，在現實世界中，組件存在缺陷，負載會發(fā)生變化，電源可能會失真，環(huán)境會發(fā)生變化。此外，不斷變化的性能和成本要求也使電源設計更加復雜。考慮到這些問題：

額定功率以外的電源能維持多少瓦？它能持續(xù)多久？電源散發(fā)多少熱量？過熱時會發(fā)生什么？它需要多少冷卻氣流？當負載電流急劇增加時會發(fā)生什么？設備能保持額定輸出電壓嗎？如何處理輸出端的完全短路？當電源的輸入電壓發(fā)生變化時會發(fā)生什么？

設計師需要開發(fā)更少的空間，降低熱量，降低制造成本，滿足更嚴格的EMI/EMC標準。工程師只有嚴格的測量系統(tǒng)才能實現這些目標。

測量示波器和電源。

對于那些習慣于用示波器進行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因為它的頻率相對較低。事實上，高速電路設計師從未面臨過許多挑戰(zhàn)。

整個開關設備的電壓可能非常高，并且是浮動的，即不接地。信號的脈沖寬度、周期、頻率和空間比都會發(fā)生變化。必須如實捕獲和分析波形，以發(fā)現異常波形。這對示波器有嚴格的要求。各種探頭-同時需要單端探頭、差異探頭和電流探頭。儀器必須有一個大的存儲器，以提供長期低頻收集結果的記錄空間。并可能需要在一次收集中捕獲不同的信號。

開關電源基礎。

大多數現代系統(tǒng)中的主流直流電源系統(tǒng)結構是開關電源（SMPS），這是眾所周知的，因為它可以有效地處理變化負載。典型的SMPS電源信號路徑包括無源設備、有源設備和磁性元件。SMPS使用盡可能少的損耗元件（如電阻和線性晶體管），主要使用無損耗元件：開關晶體管、電容和磁性元件。

SMPS設備還有一個控制部分，包括脈寬調節(jié)器脈頻調節(jié)器和反饋環(huán)1?？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫础D1是簡化的SMPS示意圖，顯示了電能轉換部分，包括有源設備、無源設備和磁性元件。

SMPS技術采用金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等功率半導體開關設備。這些設備開關時間短，能夠承受不穩(wěn)定的電壓峰值。同樣重要的是，它們消耗的能量很少，效率高，熱量低。開關設備在很大程度上決定了SMPS的整體性能。開關設備的主要測量包括：開關損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)域等。

準備好測量電源。

在準備測量開關電源時，必須選擇合適的工具，并設置這些工具，以便它們能夠準確、可重復地工作。當然，示波器必須具有基本的帶寬和采樣速率，以適應SMPS的開關頻率。電源測量至少需要兩個通道，一個用于電壓，另一個用于電流。有些設施也很重要，它們可以使電源測量更容易、更可靠。以下是需要考慮的部分：

開關器件的開啟和斷開電壓能在同一次采集中處理嗎？這些信號的比例可能達到10000:1。

電壓探頭和電流探頭是否可靠、準確？有沒有有效的方法來糾正它們的不同延遲？

探頭的靜態(tài)噪聲有沒有有效的降低方法？

儀器能配備足夠的記錄長度，以較高的采樣速度捕獲較長的完整工頻波形嗎？

這些特性是進行有意義、有效電源設計測量的基礎。

測量一次采集的100伏和100毫伏電壓。

為了測量開關器件的開關損耗和平均功率損耗，示波器必須分別確定開關器件斷開時的電壓。

在最高輸入電壓下，開關器件上的斷開狀態(tài)電壓(TP1和TP2之間)可能高達750V。在開啟狀態(tài)下，同一端子之間的電壓可能在幾毫伏到一伏左右。圖3顯示了開關器件的典型信號特性。

測試開關電源。

圖3.開關設備的典型信號。

為了準確測量開關器件的電源，必須首先測量斷開和開啟電壓。然而，典型的8位數字示波器的動態(tài)范圍不足以準確地收集開啟期間的毫伏信號和斷開期間的高電壓。為了捕獲信號，示波器的垂直范圍應設置為每分100伏。在此設置下，示波器可以接受高達1000V的電壓，以便在不使示波器過載的情況下收集700V的信號。使用該設置的問題是，最大靈敏度（可分析的最小信號范圍）變?yōu)?000/256，即約4V。

泰克DPOPWR軟件解決了這個問題，用戶可以在設備技術數據中RDSON或VCEsat值輸入圖4所示的測量菜單中。如果測量電壓在示波器的靈敏度范圍內，DPOPWR也可以用采集的數據計算，而不是手動輸入值。

圖4.DPOPWR輸入頁面允許用戶輸入RDSON和VCEsat的技術數據值。

測試開關電源。

圖4.傳輸延遲應對電源測量的影響。

消除電壓探頭與電流探頭之間的時間偏差。

為了使用數字示波器進行電源測量，必須測量MOSFET開關器件（如圖2所示）漏極、源極之間的電壓和電流，或IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓。該任務需要兩個不同的探頭：一個高壓差探頭和一個電流探頭。后者通常是非插入式霍爾效應探頭。這兩種探頭都有其獨特的傳輸延遲。這兩種延遲的差異（稱為時間偏差）會導致范圍測量和與時間相關的測量不準確。一定要了解探頭傳輸延遲對最大峰值功率和面積測量的影響。畢竟，功率是電壓和電流的積累。如果兩個乘數的變量沒有得到很好的糾正，結果將是錯誤的。當探頭沒有正確的時間偏差校正時，將影響開關損耗等測量的準確性。

圖5所示的測試設置比較了探頭端部的信號(下線顯示)和傳輸延遲后示波器前面板上的信號(上部顯示)。

圖6-圖9是一個實際的示波器屏幕圖，顯示了探頭時滯的影響。它使用泰克P52051.3kV差分探頭與TCP0030AC/DC電流探頭連接到DUT上。通過校準夾具提供電壓和電流信號。圖6顯示了電壓探頭和電流探頭之間的時滯。圖7顯示了未校正兩個探頭時滯時獲得的測量結果（6.059mW）。圖8顯示了校正探頭時滯的影響。兩條參考曲線重疊，表示補償延遲。圖9中的測量結果顯示了正確校正時滯的重要性。這個例子表明，時滯引入了6%的測量誤差。準確校正時滯降低了峰值功率損失的測量誤差。

圖5.傳輸延遲效應對電源測量的影響。

圖7.有時間偏差時，峰值幅度和面積測量為6.059瓦。

DPOPWR電源測量軟件可以自動糾正所選探頭組合的時間偏差。該軟件控制示波器，并通過實時電流和電壓信號調整電壓通道和電流通道之間的延遲，以消除電壓探頭和電流探頭之間的傳輸延遲。

靜態(tài)校正時間偏差的功能也可以使用，但前提是特定的電壓探頭和電流探頭是恒定的，可以重復傳輸延遲。靜態(tài)校正時間偏差的功能根據內置的傳輸時間表自動調整選定電壓與電流通道之間的延遲，以選擇探頭（如本文檔中討論的Tektronix探頭）。該技術為將時間偏差降至最低提供了快速方便的方法。