用于輔助電路分析的示波器數學功能詳解

　　摘要：大多數工程實驗室都有數字示波器，但很多工程師并沒有*用到它們的功能。一臺數字示波器zui有意思的功能是它的數學通道，它可以幫助你分析熱插拔與負載切換電路。數學功能可以得出有關熱插拔電路參數的詳細信息，幫助你做設計和查錯。文章主要介紹了一種用于輔助電路分析的示波器數學功能，供讀者們參考了解。
　　
　　1.數字示波器的數學通道可以幫助你分析熱插拔電路和負載切換電路。
　　
　　2.集成MOSFET的MAX5976熱插拔器件包含了一個內置MOSFET開關元件，并有電流檢測與驅動電路，構成了一個完整的功率開關電路。
　　
　　3.選擇示波器探頭時，使VDS為通道2與通道1之間的差值，并用電流探頭測量漏極電流。
　　
　　4.阻性負載會拉取并未存儲在電容中的電流，從而降低這些電容測量的精度。但對于快速測量，這些結果還是有用的。
　　
　　大多數工程實驗室都有數字示波器，但很多工程師并沒有*用到它們的功能。一臺數字示波器zui有意思的功能是它的數學通道，它可以幫助你分析熱插拔與負載切換電路。數學功能可以得出有關熱插拔電路參數的詳細信息，幫助你做設計和查錯。例如，你可以使用示波器的數學功能計算負載電容，這可以揭示出一只MOSFET在上電或斷電時的瞬時功耗。
　　
　　示波器設置
　　
　　為了給出一個有關數學功能使用的概念，我們考慮集成了MOSFET的MAX5976熱插撥器件。它包括一個內置的MOSFET開關元件，以及電流檢測與驅動電路，構成一個完整的功率開關電路。測試方法也適用于分立元件制成的熱插拔控制電路。將示波器探頭連接到圖1中的熱插拔電路，使示波器能夠獲得計算所需要的信號。電壓探頭連接到電路的輸入和輸出，提供了MOSFET上的電壓降。一個電流探頭提供了探測通過器件負載電流的zui簡單方法。
　　
　　這種基本連接方法同樣也適用于非集成式熱插拔電路。將輸入和輸出電壓探頭連接在MOSFET的前后。這些探頭在MAX5976內部，但在MAX5978外部。將電流探頭與電路的電流檢測電阻相串聯。為了地測得流經開關元件的電流，電流探頭要置于輸入旁路電容后，以及輸出電容前。探頭必須測量通過控制器的電流。電容COUT和CIN不能處于控制器與電流探頭之間。　　　　
　　MOSFET功耗
　　
　　開關元件（典型情況是一只N溝道MOSFET）的功耗是VDS（漏源電壓）與ID（漏極電流）的乘積。選擇示波器探頭時，要讓VDS是通道2和通道1之間的差值，并用電流探頭測量漏極電流。在本例中，示波器是Tektronix公司的DPO3034，它有一個可通過數學菜單配置的數學通道。
　　
　　在測量MOSFET功耗時，只需要簡單地輸入一個式子，將通道2和通道1相減，結果再乘以電流探頭的信號。當熱插拔電路被使能時，其輸出電壓以某個dV/dt轉換速率上升到輸入電勢。負載電容的充電電流以下式流經MOSFET：ID=COUT×（dV/dt）。
　　
　　在示波器上捕捉這個起動事件，就得到圖2中的波形，其輸出電容為360μF，輸入電壓為12V。熱插拔器件將浪涌電流限制在2A。注意，電源波形是一個遞減的斜坡，當以一個恒定電流為負載電容COUT充電時，波形開始為24W（12V×2A），當輸出升至12V時降到0W。　　　　
　　測量會告訴你，MOSFET的電壓、電流和溫度是否處于其安全的工作區間。通過參照MOSFET數據表中的有關圖表，可以估算出MOSFET結溫的上升。通過對電壓和電流的實際測量，直接計算出功率波形，從而消除了做功耗近似時固有的誤差。此外，還可以在一個上電事件期間地捕捉到功率波形，此時浪涌電流和dV/dt都不是穩定的（圖3）。COUT為360μF，浪涌電流被箝位在2A。　　　　
　　如果你的示波器數學功能中包含了積分，則可以做進一步的波形計算。積分運算可以顯示出在一個事件中MOSFET耗散掉的總能量。圖4對MOSFET功率信息使用了積分函數。由于在上電的約2ms內，功率波形有一個三角形，因此可以預測出約24W/2×2ms=24mJ的能量，它會在MOSFET上轉化為熱量。在上電事件結束時，數學通道的功率積分達到了幾乎的24mJ能量。
　　
　　這種方法可以用于影響MOSFET的其它瞬態情況，如斷電、短路或過載事件。在檢查MOSFET的安全工作區間和熱特性時，用這個詳細的功率-能量信息，可以對脈沖周期和“單脈沖功率”做出的計算。
　　
　　測量負載電容
　　
　　另外，還可以使用示波器的積分功能，測量熱插拔負載電容，前提是上電期間有小的阻性負載電流。電容是每伏特存儲的電荷量，而電荷不過是電流對時間的積分。因此，通過對熱插拔浪涌電流的積分，并除以輸出電壓，示波器的數學功能就可以地測量出總負載電容。
　　
　　圖5中的熱插拔控制器連接到三只陶瓷輸出電容，每個標稱值為10μF。電容的跡線（紅色）開始沒有意義，因為在輸出電壓上升前有除零問題。但當輸出電壓超過0V時，數學功能快速地收斂到一個大約27μF的測定電容。標尺為10μF/刻度。　　　　
　　圖6重復了圖5的實驗，但在輸出端增加了標稱值為330μF的鋁電解電容。當起動事件結束時，數學跡線顯示測得的輸出電容約為350μF—這幾乎與預期的*一樣，標尺為100μF/刻度。　　　　　　
　　記住，一個阻性負載會拉入并不存儲在電容中的電流，從而降低這些電容測量的精度。但對簡短的測量，結果還是有用的。