應用摘要

使用 4/5/6-PWR 應用軟體進行電源供應器量測和分析

從可攜式電子產品到工業和能源系統，設計人員必須評估穩態效能和動態行為，例如切換損耗、控制迴路穩定性和暫態響應。以示波器為基礎的工具能協助工程師利用準確且可重複的量測技術來達成這些目標，這些技術可擷取多個操作領域的電壓、電流和功率關係。

此應用摘要說明：

• 如何設定準確的電源量測，包括探棒偏移校正、探棒偏移修正和電流探棒消磁。
• 如何最佳化最新的 GaN 和 SiC 設計，並在電晶體上執行切換分析。
• 如何分析電感器和變壓器特性以判斷電源穩定性和效率，並分析電源控制迴路的頻率響應特性。
• 如何評估直流電源的輸出，並執行逆變器穿越分析。
• 討論差動和電流探棒，包括 IsoVu 隔離探棒。

本應用摘要中使用的儀器是 Tektronix 4、5 和 6 系列 B 混合訊號示波器，配備進階電源量測與分析軟體 (選項 4-PWR、5-PWR 或 6-PWR)。這些平台與適當的電壓和電流探棒結合使用時，可為各種電力電子應用提供可擴充且一致的量測環境。

簡介

現今的電源供應器設計師正承受著日益增加的壓力，要達到 90% 甚至更高的電源轉換效率。此趨勢是受可攜式電子產品的更長電池壽命、物聯網 (IoT)，以及對消耗更少電力的「更環保」產品的需求所驅動。許多設計正以 GaN 或 SiC 切換裝置取代矽 FET 和 IGBT。一如既往，上市時間的壓力持續推動更快 (但仍準確) 的測試。

具有 FlexChannel^® 輸入和創新圖形使用者介面的 4、5 和 6 系列 MSO 示波器，可讓設計人員一次測試多個測試點，從而加快測試速度。進階電源量測與分析選項 (4-PWR、5-PWR 和 6-PWR) 可自動化主要電源量測的設定程序，並提供工具來根據電源供應器設計中的規範和標準評估測試結果。

本應用指南概述如何使用 Tektronix 4、5 或 6 系列 MSO 示波器搭配 4-PWR、5-PWR 或 6-PWR 功率分析軟體來執行重要的電源供應器量測。

準備進行電源供應器量測

為了進行準確的量測，電源量測系統必須正確設定，才能精確地擷取波形以進行分析和疑難排解。需考量的重點主題包括：

• 消除電壓及電流探棒之間的偏移
• 消除探棒偏移
• 為您的電流探棒消磁

消除電壓和電流探棒之間的偏差

若要使用示波器執行電源量測，則必須量測待測裝置兩端的電壓和流過的電流。此任務需要兩支獨立的探棒：電壓探棒 (通常為高壓差動式探棒) 和電流探棒。每個電壓和電流探棒都有其自身的特性傳輸延遲，而這些波形中產生的邊緣可能無法對齊。電流探棒和電壓探棒之間的延遲差異 (稱為偏移)，會導致振幅和時序量測結果不準確。

由於偏移會產生時序延遲，因此可能會導致時序差異、相位和功率因數的量測不準確。許多量測系統可以針對儀器內部的延遲進行「自動校準」，但當您在系統中新增探棒時，必須補償探棒放大器和纜線長度的差異。

4、5 或 6 系列 MSO 可讓您補償探棒尖端到量測系統的延遲，以確保您進行最精確的時序量測。您可以手動消除探棒的偏斜，方法是將探棒連接到相同的波形來源，並對較快訊號的訊號路徑新增延遲。這可讓訊號在時間上對齊，而無需實際增加較短探棒纜線的纜線長度。

圖 1。調整前，差動電壓探棒與電流探棒之間的靜態扭斜補償。這些探棒具有內建記憶體，可儲存其額定傳輸延遲。

4、5 和 6 系列 MSO 示波器也提供單一按鈕「靜態」偏移校正功能。圖 1 顯示了兩個 TekVPI® 電源探棒之間偏移的範例。示波器會讀取探棒的標稱傳播延遲，並計算出兩個探棒之間約有 1.48 ns 的延遲差異。只需按下「確定，偏移校正」按鈕即可調整訊號之間的相對時間。

圖 2 顯示執行靜態抗扭斜功能後，與 圖 1 相同的測試設定。如果使用非 Tektronix 探棒，您將需要手動校正電壓和電流波形，並設定電流探棒設定。

**圖 2** 顯示在執行靜態去歪功能後，圖 1 中使用的相同測試設定。如果使用非 Tektronix 探棒，您將需要手動去歪電壓和電流波形，並設定電流探棒設定。

消除探棒偏移

差動探棒可能會有些微的電壓偏移。此偏移可能會影響準確度，應在繼續測量之前移除。大多數差動電壓探棒都內建直流偏移調整控制，這使得偏移移除成為相對簡單的程序。

同樣地，在進行測量之前，可能需要調整電流探棒的偏移。電流探棒偏移調整是透過將直流電流歸零到 0 安培的平均值或盡可能接近來完成的。TekVPI 探棒 (例如 TCP0030A 交流/直流電流探棒) 內建自動消磁/自動歸零程序，就像按下探棒補償盒上的按鈕一樣簡單，如圖 3 所示。

圖 3。Tektronix TCP0030A 交流/直流電流探棒具備消磁/自動歸零功能。

消磁電流探棒

消磁可以消除變壓器鐵心中可能由大量輸入電流造成的殘餘直流磁通。殘餘磁通會導致偏移誤差，應加以消除以提高量測的準確度。

Tektronix TekVPI 電流探棒提供消磁警告指示器，提醒使用者執行消磁作業。消磁警告指示器很重要，因為電流探棒可能隨時間推移產生顯著漂移，這會嚴重影響量測結果。

因應寬能隙測試挑戰

直到最近，在半橋切換級高側的切換量測幾乎不可能執行。任何相對於切換節點的量測，包括高端 VDS 以及流經分流器的電壓，都會受到失真影響，因為顯著的共模電壓訊號會衝擊到差動訊號。此問題在使用寬能隙裝置時更嚴重，例如 GaN 和 SiC 電晶體，因為切換頻率會增加，且最佳化全新設計的需求勢在必行。IsoVu 探棒無與倫比的共模互斥，與進階電源量測和分析的自動化，形成了無懈可擊的組合，以最佳化最新的 GaN 和 SiC 設計。

圖 4。許多電源供應器拓撲在存在高共模訊號時，需要量測小型差動電壓。例如，半橋式切換級高端的 VGS 通常會相對於接地上下移動數百伏特。IsoVu™ 隔離量測系統提供極高的共模互斥能力。

輸入分析

線路量測可特性化設計對輸入變化的反應、設計的電流和功率損耗，以及設計對線路電流的失真。某些量測，例如功率消耗，是關鍵規格。其他量測，例如功率因數和諧波，可能受法規限制。

電源品質量測

在 4-PWR、5-PWR 和 6-PWR 中，電源品質量測是一組標準電源量測。這些量測通常針對交流線路輸入執行，但也可應用於電源逆變器等裝置的交流輸出。這些量測包括：

• 頻率
• RMS 電壓與電流
• 波峰係數 (電壓和電流)
• 實功率、虛功率和視在功率
• 功率因數和相位

進行測量

透過使用差動探棒量測系統的線路電壓，並使用電流探棒量測系統的線路電流，即可輕鬆進行電源品質量測。此設定同樣可用於測量電流諧波。

圖 5。電源品質量測可描繪交流線路的豐富全貌。線路電壓是上方波形。電流為紅色波形。瞬時功率是橘色波形。結果標籤 (右上角) 顯示線路特性的摘要，而上方區段的結果表格可啟用以取得更詳細的資料和統計資料。

量測結果

• 頻率：電壓波形的赫茲頻率
• V_RMS：顯示電壓波形的均方根值
• I_RMS：顯示的電流波形的均方根值
• 電壓波峰因數：電壓的峰值振幅除以電壓的 RMS 值。
• I 波峰因數：電流的峰值振幅除以電流的 RMS 值
• 實功率：以瓦特 (W) 為單位測量的系統實際功率。
• 虛功率：暫時儲存在電感性或電容性元件中的虛功，以乏 (VAR) 為單位量測。
• 視在功率：以伏安 (VA) 測量的複數功率的絕對值
• 功率因數：實功率與視在功率的比
• 相位：實功率與視在功率向量之間的夾角，單位為度。

諧波

當非線性裝置使電流失真進入電路時，會產生電流諧波。線性電路僅在基本線路頻率下汲取電流，但非線性電路會以基本頻率的倍數汲取電流，每個諧波都有不同的振幅和相位。

當帶有諧波的電流流經電力配送系統的阻抗時，可能會導致電壓失真。熱量會堆積在纜線和變壓器中。隨著連接到電網的切換式電源數量增加，電網上的諧波失真也會增加。

因此，已制定標準以限制非線性負載對電能品質的影響。IEC61000-3-2、MIL-STD-1399 和 DO-160G 等標準已制定以限制諧波。

IEC61000-3-2 標準限制了注入公共電源供應系統的電流諧波。本標準適用於所有每相輸入電流高達 16A，並將連接到公共低壓配電系統（230V 交流電或 415V 交流電 3 相）的電氣和電子設備。該標準進一步分為 A 類 (平衡 3 相設備)、B 類 (可攜式工具)、C 類 (照明設備和調光裝置) 和 D 類 (具有獨特電流波形要求的設備)。

MIL-STD-1399 規定了設備 (負載) 的規格和測試要求，以維持與船載交流電源系統的相容性，範圍從電腦、通訊設備到空調設備。DO-160G 標準適用於機載系統。

圖 6.設定基本電流諧波分析只需幾個設定。此範例顯示針對業界標準的預相容性檢查設定。

電源分析應用程式讓量測電流諧波變得更容易。它能以表格和圖形格式顯示量測結果。它還能讓設計人員能夠快速將其裝置的效能與相容性標準進行比較，再進行認證—這通常是耗時且昂貴的程序。在示波器中具備這些量測功能，不僅能加速偵錯，還能協助避免臨時進行設計變更，以符合法規要求。

圖 7。諧波結果。非正弦電流波形可以在右下角看到。諧波長條圖以分貝刻度顯示諧波含量。奇次諧波最顯著，但在 IEC 61000-3-2 的限制範圍內。

進行測量

使用差動式電壓探棒來量測線路電壓。使用電流探棒來量測線路電流。

如果您想對照 IEC 61000-3-2 標準中的限制來比較設計中的諧波，則必須定義線路頻率並選取類型。就 Class C 或 D 標準而言，輸入功率、功率因數和基頻電流也需要輸入。分析套件會載入預先定義的限制表格，並比較量測諧波和限制。預相容性結果將如圖 8 所示呈現。

**圖 8**。最多 100 個諧波可以圖形形式顯示。表格顯示 IEC 61000-3-2 預相容性測試結果。根據您的設定，分析套件將載入預先定義的限制表格，並比較每個量測到的諧波和限制。

量測結果

• 結果標籤顯示所選的諧波標準、基頻諧波和第三諧波振幅、THD-F、THD-R、RMS 值和通過/失敗狀態。
• 可選取個別諧波，且量測值會在結果標籤、長條圖、和結果表格之間連結。
• 諧波結果表格包括：
• 電流諧波可顯示為分貝微安培 (dBµA) 或安培 (A) 單位

圖 9。自動化突波電流量測與電容測量在通道 7 上執行。

突波電流與輸入電容

一般而言，在電源供應器第一次開啟時會發生突波電流。電源轉換器會汲取相對較高的電流，因為其輸入電容會充電。在初始突波後，電流會穩定在穩態，除非發生其他系統變更。突波電流量測可提供有關電源供應器設計的重要資訊，包括保護裝置的大小。在極端情況下，突波電流可能導致交流電線路電壓驟降。

電源分析軟體提供自動化突波電流量測。它會識別突波電流區域並在面板上標註。然後計算該區域內的突波電流。

突波電流和輸入電容直接相關，兩者都可為電源轉換器的啟動特性提供重要見解。

圖 10。突波電流發生在電源供應器開啟期間。電流波形顯示在達到穩定狀態之前，峰值逐漸減小。

圖 11。切換損耗量測。上方追蹤 (橘色) 是透過將電流和電壓相乘來計算瞬時功率。損耗量測是針對瞬時功率波形執行。每個損耗區域都以彩色標記註解，這些標記對應於量測標籤。下方波形是開關上的電壓和通過開關的電流。

切換分析

電源供應器切換階段的量測可確認轉換器正常運作、量化損耗來源，並確認裝置在正常範圍內運作。

切換耗損量測

開啟損耗會隨著各種實體和寄生電容器充電、電感器產生磁場以及相關的瞬態電阻損耗而發生。同樣地，當開關電源關閉時，即使主要電源已移除，仍然有能量可放電並與各種元件互動，因此此處也會發生損耗。

進行測量

若要進行切換損耗量測，示波器必須量測切換裝置兩端的電壓，以及流經該裝置的電流。切換損耗結果如圖 11 所示。

量測結果

• 開啟時間 (Ton)：每個週期的開啟電源和能量損耗值的平均值。
• Toff：每個週期的開啟功率與能量損失平均值
• 總計：每個週期的總平均功率損耗和平均能量值的平均值
• 左右箭頭按鈕可讓您穿梭於切換週期，並鎖定問題區域。
• 量測也可以在結果表中檢視。此表格會顯示所有切換週期的累積量測結果，以供快速檢閱。

圖 12。RDS(on) 測量。Ch1 (黃色) 波形為 FET VDS 電壓，Ch2 (青色) 波形為 FET 電流。波形已反相，以正確指示導通區域中的電流很高。「數學」繪製 RDSon 值，結果標籤顯示依照數學波形計算的最低 RDSon 值。在本例中為 1.13 毫歐姆。

RDS(on)

此量測會表徵切換裝置在切換週期的傳導部分期間 (即裝置為 ON 且傳導電流時) 的汲極至源極電阻。動態接通電阻是裝置在開啟時的兩端電壓與流經裝置的電流之比值。利用游標閘控功能，您可精確量測 RDS(on)，這是造成切換裝置損耗的重要因素。

 

 

圖 13。電晶體的安全工作區 (SOA) 圖表。

安全工作區

切換電晶體的安全工作區 (SOA) 定義了在給定電壓下可安全流經電晶體的電流。SOA 通常在 BJT、MOSFET 或 IGBT 切換電晶體的資料表中定義。其以 V_CE (或 FET 的 V_DS) 與 I_CE (或 I_DS) 的圖表形式給出，並描述了電晶體可在無劣化或損壞的情況下操作的範圍。

功率分析軟體可讓您將裝置資料表中的 SOA 傳輸至 4、5 或 6 系列 MSO 示波器。然後您可以在實際的電路內裝置上量測電壓和電流，同時改變電源供應器設計的操作條件。示波器會記錄 V-I 曲線圖，並可指示任何參數是否超出 SOA。

進行測量

在電源供應器中運作時，確定電晶體 SOA 的主要挑戰之一是在各種負載情境、溫度變化和線路輸入電壓變化下準確擷取電壓和電流資料。此分析套件透過自動化資料擷取和分析來簡化此任務。量測設定要求探測切換電晶體兩端的電壓和通過切換電晶體的電流。

下一個步驟是設定 SOA 遮罩。如圖 15 所示，SOA 遮罩編輯器可讓您輸入電晶體的 SOA 限制，這些限制可依照其資料手冊或您自己的標準進行定義。

圖 14。使用 5-PWR 的 SOA。如果資料點落於遮罩區域內，則會顯示為黃色表示「通過」；如果落於遮罩區域外，則會顯示為紅色表示「失敗」。在此範例中，V-I 曲線已超出 SOA，導致切換裝置承受過大應力。

量測結果

完成設定後，SOA 測試結果如圖 14 所示。在 XY 模式下，電壓和電流波形會繪製於單一記錄中。此圖顯示單一擷取週期的所有資料。

圖 15。SOA 遮罩編輯器視窗。遮罩是由取自切換裝置資料手冊的一組 (電壓、電流) 座標所定義，或者可以是使用者定義的。

結果標籤顯示裝置超出 SOA 遮罩的次數，並給出通過/失敗判斷。

磁性分析

電感器和變壓器在切換模式和線性電源供應器中都用作儲能裝置。有些電源供應器也會在其輸出濾波器中使用電感器。鑑於磁性元件在電源轉換器中扮演的重要角色，特性分析這些磁性元件對於確定電源供應器的穩定性和整體效率至關重要。

4/5/6-PWR 中的磁性分析可自動執行以下量測群組：電感、磁性損失和 B-H 參數。

電感

電感器會隨頻率增加而呈現阻抗增加，阻礙高頻率的程度高於低頻率。此行為稱為電感，並以亨利為單位進行量測。配備功率分析軟體的示波器可自動量測裝置的電感。

進行測量

4/5/6-PWR 應用程式將電壓對時間積分，再除以電流變化量，以計算電感值。量測是藉由探測磁元件兩端的電壓以及流經磁元件的電流來進行。電感量測結果連同其他幾項量測結果一起顯示於圖 15。黃色（Ch1）波形是電感器兩端的電壓，而青色波形（Ch2）是流經電感器的電流。請注意，B-H 曲線也會顯示。

量測結果

電感：裝置或電路的電感值

磁損耗

磁性功率損耗分析是切換式電源供應器綜合損耗分析的必要部分。兩個主要的磁性損耗是核心損耗和銅損。銅繞組線的電阻造成電源供應器中的銅損。核心損耗是磁芯中渦流損耗和磁滯損耗的函數。核心損耗與直流磁通無關，但受到交流磁通擺幅和操作頻率的影響。

進行測量

4/5/6-PWR 能夠計算單繞組電感器、多繞組電感器，甚至變壓器中的磁損耗。

在單繞組變壓器中，差動探棒連接用於量測初級繞組上的電壓。電流探棒量測通過變壓器的電流。示波器和電源量測軟體可自動計算磁功率損耗。

磁性功率損耗結果如圖 16 所示。

量測結果

功率損耗：磁性元件造成的總功率損耗。

磁特性（B-H 曲線）。

磁通量密度 B，單位為特斯拉，是磁場的強度。它決定了磁場對移動電荷所施加的力。磁場強度 H，單位為 A/m，稱為磁化力。材料的磁導率 µ，單位為 H/m。它量測材料由於施加的磁場而產生的磁化程度。

磁性長度及磁芯周圍的繞組數等物理特性，有助於判斷磁性材料的 B 和 H。B-H 曲線圖常用於驗證開關電源中磁性元件的飽和 (或未飽和) 狀態，並提供單位體積磁芯材料每個週期的能量損耗量測。該曲線繪製了磁通密度 B 相對於磁場強度 H 的關係。由於 B 和 H 都取決於磁性元件的物理特性 (例如磁性長度及磁芯周圍的繞組數)，因此這些曲線定義了元件磁芯材料的性能範圍。

圖 16。對電感器進行磁性量測。Ch1 (黃色) 波形為電感器上的電壓，而 Ch2 (青色) 波形為電感器電流。B-H 曲線會顯示在面板中央。電感、磁損耗和磁性能會顯示在右側的結果標籤中。

進行測量

為了產生 B-H 曲線圖，需要量測磁性元件兩端的電壓和流經磁性元件的電流。對於變壓器而言，一次繞組和二次繞組中的電流都值得關注。必須先在組態面板中輸入電感器匝數 (N)、磁路長度 (l) 和磁芯截面積 (Ae)，功率分析軟體才能計算 B-H 曲線圖。

高壓差動式探棒連接到示波器上的波道 1，並跨越變壓器的初級繞組。此量測電壓是磁性元件磁感應 B 的結果。波道 2 使用電流探棒量測穿過初級的電流。如果需要，電流探棒也用於量測波道 3 和波道 4 上的次級繞組電流。電源分析軟體然後可以使用示波器波道 2、3 和 4 的資料計算磁化電流。磁化電流值然後用於確定 H 分量。

磁性能結果如圖 16 所示呈現。

量測結果

• ΔB：磁通密度的變化量。
• ΔH：磁場強度變化
• 磁導率：材料的磁化程度
• Bpeak：磁性元件中感應的最大磁通密度。
• Br：曲線上的一點，其中 H = 0，但 B 仍具正值。這稱作元件的剩磁，是衡量其保持力的一種方式。剩磁越高，材料保留的磁化就越多。
• Hc：B = 0 且 H 為負值時，曲線上的點。這表示會使 B 達到零的外部磁場。這個 H 值稱為矯頑力。較小的矯頑力值表示該元件很容易消磁。
• Hmax：H 軸與磁滯迴線交點處 H 的最大值
• I-ripple：電流的峰對峰值

圖 17. 隔離變壓器/注入變壓器用於將接地訊號源與浮動注入電阻隔離。

頻率響應分析

控制迴路響應

控制迴路響應分析 (通常以其產生的曲線命名為波德圖) 有助於特性化電源供應器控制迴路的頻率響應。波德圖代表在頻率值範圍內計算的回授迴路增益和相位移，提供有關控制迴路速度和電源供應器穩定性的寶貴資訊。它可以使用向量網路分析儀 (VNA) 量測，但也可以使用示波器和函數產生器量測。

為了量測電源系統的響應，必須將已知訊號注入回饋迴路。在此量測中，4/5/6 系列中的任意/函數產生器 (AFG) 選項可用於在指定的頻率範圍內產生正弦波。DC-DC 轉換器或 LDO 必須在其回饋迴路中配置一個小型 (5-10Ω) 注入電阻/終端電阻，以便將來自函數產生器的干擾訊號注入迴路。

在寬頻上具有平坦響應的注入變壓器會跨越注入電阻連接，並將接地訊號源與電源供應器隔離。Picotest J2101A 注入變壓器的頻率範圍為 10Hz-45MHz，與 4/5/6 系列 MSO 的函數產生器選項非常吻合。建議使用低電容、低衰減的被動式探棒 (例如 TPP0502) 進行電壓量測。這可在 6 系列 MSO 上進行 500 µV/div 的垂直靈敏度量測，以及在 4/5 系列 MSO 上進行 1 mV/div 的垂直靈敏度量測。

圖 18。起始與停止頻率、振幅及每十倍頻點數決定產生器將注入控制迴路的刺激訊號。

圖 19. 振幅特性可用於改善量測的訊號雜訊比 (SNR)。它可以在 DUT 對干擾敏感的頻率下施加較低振幅，並在較不敏感的頻率下施加較高振幅。

建立連線後，必須設定刺激掃描。4/5/6-PWR 軟體支援恆定振幅和設定檔振幅方法。恆定振幅掃描在所有頻率下都保持相同的振幅。設定檔方法可讓您在定義的頻帶上指定不同的振幅。振幅設定檔方法可用於改善量測的訊號雜訊比 (SNR)。

圖 20。軟體將增益 (綠色追蹤) 計算為 20log (Vout/Vin)。紅色軌跡表示注入訊號與輸出之間相對於 -180° 的相移。相位餘裕 (PM) 是在增益曲線穿越零 dB 的位置進行量測。當相位曲線穿過零度標記時，會量測增益餘裕 (GM)。下表顯示每個頻率的增益和相位。

相位餘裕是在增益交越頻率處量測的，該頻率是增益圖跨越 0 dB 的頻率。相位圖上的對應點顯示相位餘裕。

增益餘裕是在相位穿過 -180 度時發生的相位交越頻率下量測的。由於相位是相對於 -180 繪製的，因此這會顯示為 0 點穿越。此相位交越頻率的對應增益值可提供增益餘裕。

圖 21。PSRR 繪圖顯示施加到電源輸入端的交流電在電源輸出端的衰減。

電源供應抑制比 (PSRR)

電源供應器互斥比表徵了電源供應器防止其輸入端的交流雜訊影響其直流輸出的能力。為了執行 PSRR 測試，會將掃頻正弦刺激施加到電源供應器的輸入端。此量測需要直流 + 交流網路總和裝置，例如 Picotest 的 J2120A 線路注入器。

圖 22。線路注入器用於將交流訊號從函數產生器新增至電源供應器的直流輸入。

5/6-PWR 軟體可自動執行掃頻，並在每個頻率處量測輸入輸出訊號。它計算頻率範圍內每個頻率處的衰減比為 20Log(Vin/Vout)，並在面板上繪製量測值。

圖 23。阻抗量測設定。電源軌探棒提供高靈敏度、直流高阻抗以及 50 Ω 交流輸入阻抗以實現低負載。或者，如果可用，可使用 P6150 探棒或附有直流阻斷器的 SMA 纜線。

阻抗量測

特性分析配電網路的阻抗，有助於判斷系統中的雜訊影響。阻抗曲線代表特定頻率頻帶中的阻抗值。待測裝置可以是配電網路 (PDN) 的組合阻抗 (包括電路板佈線和電容器)，或是電壓調節器模組 (VRM) 等元件或子系統。

阻抗量測通常使用向量網路分析儀執行，然而，一般的向量網路分析儀無法在低頻率下量測，也無法量測低於 10 mΩ 的低阻抗值。以示波器為基礎的系統可量測低至 1 Hz 的頻率。以示波器為基礎的解決方案亦提供掃描期間來自 DUT 的輸入與輸出訊號面板顯示，因此可以觀察到時域變化。

在執行分析時，示波器也能夠顯示時域波形，包括刺激訊號與響應。這在向量網路分析儀上是不可能的。

若要執行量測，接地的示波器必須與 DUT 隔離。圖 23 所示範例系統中的 Picotest J2113A 差動放大器變壓器即是此用途。50 Ω 功率分配器用於將訊號從函數產生器傳送至 DUT 和示波器上的通道 1。

圖 24。阻抗與頻率量測圖。此曲線有三個峰值，表示阻抗值隨頻率變化而改變。目標是平坦的阻抗圖，任何峰值都會落在目標阻抗以下。游標可用來量測曲線上的任何點。

輸出分析

任何 直流電源 的輸出都必須評估其穩壓和雜訊。4/5/6-PWR 進階功率量測與分析軟體包含用於量化和分類漣波的工具。

線漣波與切換漣波

簡而言之，漣波是疊加到電源供應器直流輸出上的交流電壓。它以正常輸出電壓的百分比或以峰對峰伏特表示。

電源供應器輸出端會出現兩種漣波。線路漣波量測與線路頻率相關的漣波量。開關漣波量測根據您識別的開關頻率，從開關電源輸出偵測到的漣波量。

輸出線性漣波通常是線路頻率的兩倍；而切換漣波則通常與雜訊耦合，並且頻率範圍在 kHz。將線性漣波與切換漣波分離是電源特性分析的最大挑戰之一。電源分析軟體可大幅簡化此工作。

進行測量

若要測量系統的漣波，只需要一個電壓探棒。差動探棒必須連接到系統輸出，以測量輸出線性漣波和切換漣波電壓。

圖 25。5-PWR 的線漣波組態索引標籤。

線路漣波和切換漣波的組態頁籤 (請參閱圖 25) 非常類似。兩種漣波量測都需要選擇輸入耦合 (AC 或 DC) 模式、所需的頻寬限制 (20MHz、150/250MHz 或全頻寬) 以及示波器的擷取模式—取樣、峰值檢測或高解析度 (高解析)。若為線路漣波量測，則必須定義系統的線路頻率，50 Hz、60 Hz 或 400 Hz。切換漣波量測需要指定切換頻率。

一旦配置了量測，結果會如圖 26 所示。

**圖 26**。切換漣波結果。

量測結果

峰對峰與 RMS 漣波值：這些是系統線路或切換漣波的峰對峰與 RMS 電壓值。

圖 27。效率量測中，使用單一交流電壓和電流來決定輸入功率，並同時在三個輸出上量測功率以找出總效率。

效率

裝置或產品的高效率是今日競爭環境中一個重要的差異化因素。進階電源量測和分析軟體可讓您輕鬆量測您的電源轉換 (AC-DC、AC-AC、DC-DC、DC-AC) 產品效率。對於輸出多達 3 個的電源產品，進階電源量測和分析軟體可讓設計人員一次測試整個系統的效率，以加快測試和驗證時間。

圖 27 顯示了使用示範板和數學訊號模擬多輸出裝置，對具有 1 個輸入和 3 個輸出的 AC-AC 轉換器進行效率測量的結果。測量（或在此案例中模擬）每個輸入和輸出電壓和電流：

• 通道 3：輸入電壓
• 通道 4：輸入電流
• 通道 7：輸出 1 電壓
• Ch 8：輸出 1 電流
• 數學 3：輸出 2 電壓
• 數學 4：輸出 2 電流
• 數學 6：輸出 3 電壓
• 數學 7：輸出 3 電流

請注意上述範例中自訂標籤的使用，這有助於輕鬆識別。應用程式軟體會視需要自動建立數學功率波形。在上述範例中，這些波形是自動建立的：

• 數學功能 1：輸入 1 功率。
• 數學 2：輸出 1 功率
• 數學 5：輸出 2 功率
• 數學 8：輸出 3 功率

圖 28。效率量測組態允許使用者設定訊號類型和最多 3 個輸出。

此應用程式會計算受測裝置的個別效率和總效率，並將其顯示在結果標籤中。您也可以開啟結果表並以 .MHT 或 PDF 格式儲存報告。

圖 29。導通時間量測可找出施加輸入電源與穩態輸出之間的延遲。

開啟時間

開啟時間是在施加輸入電壓後，達到電源供應器輸出電壓所需的時間。一個通道用於量測輸入，而示波器的任何剩餘通道可用於量測輸出。這可在單次擷取中啟用多個電軌的量測。

圖 30。關斷時間量測會找出移除輸入電源和趨近零輸出之間的延遲。

關閉時間

關閉時間是指從移除輸入電壓後，電源供應器的輸出電壓接近零的時間。

交流到直流與直流-直流開啟時間量測技術可擴展到驗證多輸出電源供應器的開機和關機順序。

電源供應器輸出在開啟和關閉期間的時序與排序對於終端產品的可靠運作至關重要，並讓裝置可不間斷地運作。設計人員將會想知道如何調整其終端裝置，例如，當 UPS 在指定時間內恢復到穩態時。例如，電池充電以持續地產生 DC 輸出，且逆變器系統持續地向 AC 市電充電。如果電源故障，電池會為逆變器供電。關閉時間很重要，這樣電池才能在指定時間內啟用。

逆變器穿越分析

併網逆變器系統規定必須包含防孤島功能，以防止在電網功率波動期間發生非預期孤島效應。為了滿足這些要求，逆變器性能必須根據國際標準（例如 CEA、IEEE 1547 和 EVS-EN 50549）進行驗證。這些標準包含穿越時間，其規定併網逆變器或「智慧型逆變器」在電網暫降或過壓情況下必須持續支援電網的時間。

適用於 4、5 和 6 系列 B 示波器的電源分析軟體支援自動化穿越性相符性測試。量測可在綠色電源分析中找到，並包括 LVRT (低電壓穿越) 和 HVRT (高電壓穿越)。

**圖 31**。「進階電源量測與分析套件」中提供綠色電源分析 (選用。PWR)

這兩種量測都依賴電壓和時間遮罩，這些遮罩定義了 RMS 電壓不得通過的「禁止」區域。這些遮罩的限制是由標準所定義，也可以定義自訂遮罩。

低電壓穿越 (LVRT) 可評估在電網持續驟降時逆變器的效能。當 RMS 電網電壓降至指定位準以下時，量測即會啟動；如果逆變器無法在所需時間內支援電網，示波器便會標記故障。

圖 32。低電壓穿越量測的設定

同樣地，高壓耐受 (HVRT) 是衡量電網過電壓事件期間逆變器行為的指標。此量測可識別逆變器響應在這些擾動期間是否在規範中定義的限制下保持在定義的電壓時間界限內。

進行測量

此量測會透過測量面板新增，如圖 31 所示，並包含多個參數。這是一個單次測量，且這些參數有助於為下陷或過電壓事件設定示波器。

指定測試標準可產生通過/失敗遮罩。請注意，也可以建立自訂遮罩。

圖 33。這些標準在穿透量測中受到支援。也可以定義自訂遮罩用於餘裕測試或支援專有標準。

額定均方根電壓可由示波器自動量測或手動指定。當量測組態中的「額定電壓方法」設為「自動」時，「電源預設」功能會擷取逆變器連續輸出波形的八個週期，並使用它們來自動調整垂直和觸發設定。當「額定電壓方法」設為「自訂」時，系統不會擷取波形；而是會根據使用者定義的每單位額定電壓直接套用垂直和觸發設定。

圖 34。電壓驟降量測的預設面板。電源預設會根據配置設定來配置示波器。垂直刻度會根據量測電壓 (自動) 或使用者指定值 (自訂) 來設定。所選標準決定水平刻度。根據量測 (LVRT 或 HVRT)，觸發設定為矮脈衝或邊緣，並帶有適當的位準。按下「Go」按鈕可將示波器設定為單次擷取，並等待觸發。

設定後，點選「電源預設」按鈕會自動選取適當的刻度和觸發設定，以擷取間歇性電網電壓擾動。點選「Go」會使示波器準備好進行單次程序。

量測結果

圖 35 顯示 LVRT 量測的範例結果。此量測會顯示第一次故障時的電壓和時間，且任何遮罩命中都會以白色顯示在 RMS 電壓量測追蹤上。

圖 35。低電壓穿越故障，其中存在 RMS 電壓違規。穿越結果會根據定義的電壓時間遮罩清晰顯示，讓您輕鬆識別合規性問題。測試限制是由 CEA、IEEE 1547-2003、IEEE 1547-2018 (CAT-I、CAT-II 和 CAT-III)、EVS-EN 50549 CAT-I 和自訂標準定義的遮罩，這些標準定義了逆變器 RMS 電壓恢復的邊界限制。穿越條件期間的任何遮罩命中都會導致測試失敗。

報告產生

資料收集、歸檔和文件化在設計和開發程序中通常是繁瑣但必要的任務。4/5/6-PWR 包含一份報表產生工具，可以讓量測結果的文件化變得毫不費力。

透過使用示波器的「另存新檔」功能，即可產生並在示波器螢幕上顯示具有指定配置的完成報告。

圖 36。 報表可採用 .MHT 或 .PDF 檔案格式。

摘要

藉由在 4、5 和 6 系列 MSO 示波器上使用進階電源量測和分析選項，工程師可以快速進行準確且可重複的量測，並且設定時間極短。最棒的是，他們不需要手動計算！示波器應用程式會執行作業，藉由使用螢幕擷取畫面和報告功能，工程師可以輕鬆提供完整的說明文件，說明儀器如何設定、波形以及量測結果。

哪些探棒適合您的應用？

4、5 和 6 系列 MSO 示波器搭配正確的電源探棒時，可實現最佳的電源量測效能。示波器配備 TekVPI 探棒介面，可讓示波器與探棒進行通訊。請參考 www.tek.com/。配件，以取得特定資訊，內容包括差動與電流探棒的建議型號 (包括 IsoVu 隔離探棒和羅果夫斯基探棒)，以及任何必要的探棒轉接器。