簡(jiǎn)介

數(shù)字示波器的計(jì)算功能是數(shù)字示波器最有趣的功能之一，可以簡(jiǎn)化和擴(kuò)展對(duì)熱插拔與負(fù)載切換電路的分析。巧用示波器的計(jì)算功能可以得出負(fù)載電容或 MOSFET 在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的瞬時(shí)功耗，這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和分析熱插拔與負(fù)載切換電路非常有意義，如果沒有示波器計(jì)算功能，這類參數(shù)只能做近似估計(jì)。

本篇應(yīng)用筆記介紹如何利用示波器檢測(cè)熱插拔電路 MOSFET 功耗和負(fù)載電容的精確值。

設(shè)置示波器

簡(jiǎn)化起見，我們用圖 1 所示的 MAX5976 熱插拔電路來做演示，其內(nèi)置的檢流功能和帶驅(qū)動(dòng)的 MOSFET 構(gòu)成了一個(gè)完整的電源切換電路（下面的測(cè)試方法同樣適用于由分立元件搭的熱插拔控制電路）。按圖 1 所示方式將示波器探頭連至熱插拔電路，示波器即可獲取計(jì)算所需信號(hào)，兩個(gè)電壓探頭分別接輸入和輸出，用于檢測(cè) MOSFET 兩端壓降，電流探頭用來檢測(cè)流過 MOSFET 的電流。

圖 1. 示波器探頭連至 MAX5976 或 MAX5978 熱插拔電路，示波器則利用測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

這個(gè)基本連接方式同樣適用于非集成的熱插拔電路。測(cè)試輸入和輸出電壓的探頭分別接到 MOSFET 的前面和后面（MAX5976 的 MOSFET 在內(nèi)部，MAX5978 則是外置 MOSFET），電流探頭要與電路檢流電阻串聯(lián)。為了測(cè)到流經(jīng)開關(guān)元件的精確電流值，電流探頭應(yīng)該放在輸入電容后，輸出電容前的位置。

MOSFET 功耗

開關(guān)器件（通常是 n 溝道 MOSFET）的功耗等于漏極 / 源極電壓差（VDS）與漏極電流（ID）的乘積。圖 1 中，VDS 是通道 2 和通道 1 的差，ID 是電流探頭直接測(cè)量的結(jié)果。我們用的示波器（Tektronix? DPO3034）有一個(gè)專門的計(jì)算通道，可以通過如下（圖 2）菜單配置。

圖 2. DPO3034 數(shù)字示波器的高級(jí)計(jì)算菜單可以直接編輯計(jì)算公式。

通過簡(jiǎn)單編輯一個(gè)公式，實(shí)現(xiàn)通道 1 與通道 2 之差乘以電流探頭測(cè)得的值，從而得出 MOSFET 功耗。當(dāng)熱插拔電路使能后，輸出電壓以 dV/dt 的斜率接近輸入電壓，流經(jīng) MOSFET 的輸出電容充電電流（ID）為：

ID = COUT × dV/dt

當(dāng)輸出電容為 360μF，VIN = 12V 時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通瞬間示波器屏幕截圖如圖 3a 所示。MAX5976 將瞬時(shí)浪涌電流限制在 2A。注意功率波形是一個(gè)下降的斜坡，開始于 12V × 2A = 24W，當(dāng)輸出電壓升至 12V 時(shí)降至 0W，熱插拔電路以恒定電流為負(fù)載電容充電，這正是我們所期望的。

圖 3a. 圖 1 電路中的 MOSFET 功耗（紅色波形），COUT = 360μF，浪涌電流被限制在 2A。

如此方式測(cè)得的功率波形可用來判斷 MOSFET 是否工作在其安全工作區(qū)（SOA），或根據(jù)數(shù)據(jù)資料的相關(guān)圖表估算 MOSFET 結(jié)溫的溫升。根據(jù)實(shí)測(cè)波形直接進(jìn)行計(jì)算的誤差要小很多。另外，即使如圖 3b 所示的浪涌電流和 dV/dt 都不是常數(shù)，功耗的測(cè)量波形依然精確。

圖 3b. 浪涌電流和 dV/dt 都不是常數(shù)時(shí)，測(cè)得的功耗波形依然精確。此處的浪涌電流就沒有限流。

如果示波器支持積分功能，則能進(jìn)一步得出 MOSFET 在任何高耗能事件中的實(shí)際總能耗。圖 4 新增紅色曲線為利用示波器積分功能計(jì)算出 MOSFET 消耗的能量信息。

圖 4. 對(duì)功率積分可以得出圖 1 電路中 MOSFET 在開啟階段的總能耗。

如圖 3a 所示，COUT 為 360μF，浪涌電流被限制在 2A。由于功率在 MOSFET 開啟的 2ms 內(nèi)是一個(gè)三角形狀，可以算出大約有 24W/2 × 2ms = 24mJ 的能量變成了熱。可以看出，當(dāng) MOSFET 開啟結(jié)束時(shí)，示波器積分功能計(jì)算出的能量數(shù)據(jù)就是 24mWs （= 24mJ）！

此類功能還適用于分析 MOSFET 的其它瞬態(tài)事件，如關(guān)斷，短路或過載。如此詳盡的功率和能量數(shù)據(jù)可用來精確分析 MOSFET 瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)的 SOA 和溫度特性。

測(cè)量負(fù)載電容

數(shù)字示波器計(jì)算功能中的積分功能還可用來測(cè)量熱插拔電路中的負(fù)載電容。

假設(shè)不考慮電路阻抗對(duì)電流的影響，則負(fù)載電容值等于電容電壓每變化一伏改變的電量；而電量就是電流對(duì)時(shí)間的積分。因此，對(duì)熱插拔電路浪涌電流除以輸出電壓的值進(jìn)行積分，數(shù)字示波器就可以精確計(jì)算出負(fù)載電容值大小。圖 5a 中，熱插拔控制器輸出有三個(gè) 10μF 陶瓷電容。由于作為分母的電壓初始值為零，所以計(jì)算曲線的開始階段沒有任何實(shí)際意義。但 VOUT 超過伏后，計(jì)算出的電容值大約為 27μF?？梢钥闯觯M管示波器的功能已經(jīng)十分強(qiáng)大，但仍不能如我們所希望的那樣正確顯示電容值單位！

圖 5a. 當(dāng) COUT = 30μF 時(shí)，圖 1 電路測(cè)得的輸出電容值。

圖 5b 的測(cè)試和圖 5a 相同，但在輸出電容處增加了一個(gè) 330μF 電解電容，當(dāng) MOSFET 開啟結(jié)束時(shí)，可以看到示波器顯示結(jié)果恰好就是 360μF，正是我們所期望的。注意阻性負(fù)載會(huì)降低電容測(cè)試的精度，因?yàn)樗鼤?huì)分流進(jìn)入電容的電荷。但對(duì)于瞬態(tài)時(shí)間分析，結(jié)果依然非常有用。

圖 5b. 當(dāng) COUT = 30μF + 330μF 時(shí)，圖 1 電路測(cè)得的輸出電容。
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