开关电源的调试和电源完整性测试.pdf

1、高水平的测试确保高品质的电源 Zhou Qun Yi Page 这些设备有什么共同点?2 这些设备都需要这些设备都需要电源！电源！Power Measurements&Analysis Page 供电网络 发电厂发电厂 市电网络市电网络 逆变器逆变器 智能电网智能电网 三相电三相电 Page 供电网络 4 开关电源开关电源 电源适配器电源适配器 电池电池 PCB板 PDN 电源分配网络 市电网络市电网络 Page 议程 1.开关电源的验证 2.电源完整性分析及仿真 3.电源EMI测试 4.电源热损耗测试 5 Page 开关电源趋势 Power Measurements&Analysis 6 设

2、计优化设计优化 提高转换效率 提高功率密度 提高可靠性 控制EMI;符合EMC要求 提高输出电源完整性 减少热损耗 降低成本 这些都要增加测试时间!Page 开关电源原理图 Page 7 VO L N E Page 开关电源测试与测量方案 Page 8 测量参数测量参数 输入端分析输入端分析 电源质量电源质量:有功功率,无功功率,视在功率,相位角,功率因素,波峰因子 电流谐波失真电流谐波失真:最多40次谐波测试(支持IEC61000-3-2 和 A,B,C,D。包含总谐波失真THD),浪涌电流浪涌电流 开关器件分析开关器件分析 开关损耗开关损耗(功率和能量功率和能量)导通损耗导通损耗(功率和能

3、量功率和能量)信号变化速率信号变化速率(dV/dt 和和 di/dt)调制分析调制分析:占空比,频率,脉冲宽度(对比时间)输出端分析输出端分析 输出纹波输出纹波 PSRR 瞬变响应瞬变响应 开启开启/关断时间关断时间 效率效率 时滞校准时滞校准 使用使用U1880A时滞校准夹具自动调整电流探头及电压探头的时间时滞校准夹具自动调整电流探头及电压探头的时间延时延时 U1881A PC机用功机用功率分析软件包率分析软件包(含在含在PWR选件中选件中)报告生成报告生成 SOA安全工作区测量，安全工作区测量，SOA 模板编辑模板编辑 Rds测量测量 3000T/4000X示波器 电压探头(300MHz)

4、电流探头100MHz)Page 输入端测量:电流谐波 Power Measurements&Analysis 9 对电流波形做FFT分析.按照IEC61000-3-2(Class A,B,C,or D)标准比对FFT 波形的奇次/偶次谐波幅度.测量最多40th谐波 提供每个谐波Pass/Fail 自动提示 显示方式可以在图表显示/条型显示方式切换 支持RTCA DO-160E航空电源标准.支持50/60/400Hz 工频电流 Page 开关器件分析:开关器件功率损耗 Power Measurements&Analysis 10 探头时延校准可以提高损耗测试精度.示波器测量一个开关周期内的能量损

5、耗.通过局部放大可以测试开关周期不同阶段的损耗.P非导通阶段非导通阶段=0W 零偏置校准可以提高损耗测试精度.Page 输出端分析:电源效率 Power Measurements&Analysis 11 测量例子测量例子:用户选择效率测试的类型(AC-DC,AC-AC,DC-AC,DC-DC).示波器测试输入端的有功功率.示波器测是输出端的有功功率.示波器计算出效率(Po/Pi).Page 议程 1.开关电源的验证 2.电源完整性分析及仿真 3.电源EMI测试 4.电源热损耗测试 12 Page 电源完整性测试 l 13 电压偏移 PARD(周期和随机性干扰)直流电压的纹波,噪声,开关瞬变.静

6、态和动态负载响应.可编程直流电压响应.高频瞬变和噪声.高低温产品验证.电源完整性测试项目电源完整性测试项目 Page 更精确的纹波/噪声测试需求 现代芯片采用更低工作电压，要求更低的电源纹波和噪声 更高的开关切换频率需要更高的测量带宽 需要同时观察由于负载变化造成电压漂移、跌落 DC输出 PARD 希望看到的 不仅仅是这样 Page 电源纹波对于高速信号质量的影响 Customizable in Footer Reference：www.X Copyright 2013 Xilinx The Dos and Donts of High Speed Serial Design in FPGAs

7、High Speed Digital Design&Validation Seminars 2013 Page 电源纹波/噪声测试的主要考虑因素 测量系统的底噪声 量程和电压测量范围 负载对被测系统的影响 带宽对测量的影响 16 Page 电源测试中噪声的来源 探头及前置放大器噪声 信号(DUT)示波器显示 ADC输出 信号 Page 探头衰减比对底噪声的影响 10:1 探头 1:1 探头 20 mVp-p 信号 N7020A:衰减倍数:1:1 最小至1.09 mV/div Page 输出电压纹波/噪声探头方法 19 10:1探头探头+长地线长地线 10:1探头探头+短地线短地线 1:1 探头

8、探头+长地线长地线 1:1 探头探头+短地线短地线 Page Partner Logo Here 优点:连接方便,低成本。缺点:探头衰减比对底噪声影响较大;容易受共模噪声影响;小衰减比的探头带宽有限;纹波测量和电压测量不能同时进行。传统电源纹波测量方法1：高阻无源探头 Page Partner Logo Here 优点:低成本,低衰减比。缺点:一致性不好;隔直电容参数及带宽不好控制;纹波测量和电压测量不能同时进行。传统电源纹波测量方法2：自制电缆 Page N7020A有源纹波探头 N7020A高带宽低噪声探头：高达2GHz带宽 低噪声,衰减比仅为1.1:1 高达+/-24V的偏置范围 高输入

9、阻抗：50 K DC 新产品新产品 Page S系列示波器加N7020A探头的底噪声指标 Tek P6248:13.3mV p-p Keysight N7020A:0.87mV p-p 16 mV Page 不同探头的偏置范围 N2796A 2 GHz 10:1 有源探头底噪:23 mV p-p 最高 +/-5V 偏置电压 N7020A 2 GHz 1:1 有源探头底噪:3 mV p-p 最高+/-24 V 偏置电压 40 mV N7020A:直流偏置范围:+/-24V Page 探头负载对被测电路的影响 DC档阻抗 PN7020A50k DC DCVrms=3.31V 50电缆连接示波器(5

10、0 DC)DCVrms=3.25V 50 DC 将电压值下拉60mV(改变了DUT的电压)25 Power Integrity Page 不同带宽测量到的纹波噪声 N7020A 2 GHz,1.1:1 26 N2870A 35 MHz,1:1 Page InfiniiVision 3000T/4000X 系列示波器 示波器体验被重新定义 体验触感体验触感 InfiniiScan Zone 图形触发 8.5-12.1”电容式触摸屏 简洁操作界面 体验速度体验速度 1,000,000 幅/秒波形捕获率 Megazoom IV 智能存储技术(独特快响应深存储技术，智能分段存储)体验升级体验升级 内置

11、20 MHz任意波形发生器 16通道逻辑分析仪 协议分析仪(基于硬件解码)内置 3位数字电压表 27 Portfolio Overview Page InfiniiVision 3000T 系列数字示波器 平均无故障时间250,000小时 28 Portfolio Overview DSOX/MSOX 3104T 3102T 3054T 3052T 3034T 3032T 3022T 3024T 3014T 3012T 带宽 1 GHz 500 MHz 350 MHz 200 MHz 100 MHz 模拟通道 4 2 4 2 4 2 2 4 4 2 数字通道 16 采样率 2.5 GSa/s,

12、5 GSa/s 半通道 最大存储深度 4 Mpts，标配分段存储功能 标配InfiniiScan 图形触摸触发 屏幕大小 8.5寸彩色电容式触摸屏 仪器集成(6合1)示波器，逻辑分析仪，协议分析仪，数字电压表，计数器，任意波形发生器 波形捕获率 1,000,000 幅/秒 新产品新产品 Page 电压瞬变特性及纹波的仿真 Page 什么是瞬态电压仿真？在直流供电设备中，实际的供电电路无法保证绝对稳定的直流 30-锂电池作为电源，由于内阻的影响，输出电压随电流变化而波动。锂电池作为电源，由于内阻的影响，输出电压随电流变化而波动。-电源同时给多给负载供电，当某个负载突然断开或接入时，出现瞬间跌落甚

13、至抛负载现象。电源同时给多给负载供电，当某个负载突然断开或接入时，出现瞬间跌落甚至抛负载现象。-汽车、飞机等电池与发动机供电切换过程中出现的电压跌落及震荡。汽车、飞机等电池与发动机供电切换过程中出现的电压跌落及震荡。Power&Energy Page 为什么及哪些产品需要进行瞬态仿真测试？9 在实验室模拟实际现场可能会发生的电压波动，对产品进行“抗干扰”性能评估，确保产品能够在实际环境中正常工作及性能。对电子电器设备工作稳定性要求较高的行业及应用，如汽车，高铁，飞机，医疗，军用设备，通信网络，数据服务中心等的关键电源及电子电器设备。等级等级 在施加骚扰期间在施加骚扰期间 在施加骚扰之后在施加骚

14、扰之后 一级 能执行其预先设计的所有功能 二级 有一项或多项指标超出规定的偏差 自动恢复到正常工作范围内 三级 不执行其预先设计的一项或多项功能 能自动恢复到正常操作状态 四级 不执行其预先设计的一项或多项功能 需要通过简单的“操作或使用”复位动作，才能自动恢复到正常操作状态 五级 不执行其预先设计的一项或多项功能 如果不修理或不替换装置或系统，则不能恢复其正常操作。Power&Energy Page 什么是瞬态电压仿真？交流供电设备必须面对交流电网的瞬态变化干扰交流供电设备必须面对交流电网的瞬态变化干扰 35 高频噪音干扰“切换瞬变”尖峰 纯净稳定的正弦波“振铃式”瞬态干扰 电压下陷 电压上

15、涌“换相失真”干扰 市电停电 频率不稳 Power&Energy Page 汽车电子产品供电特性测试要求ISO16750 11 Power&Energy Page 飞机用电设备的要求GJB 181 Power&Energy 16 Page 常用的瞬态电压仿真及测试的标准 18 ISO 16750，道路车辆一电气和电子装备的环境条件和试验 ISO 7637，道路车辆-来自传导和耦合的电气骚扰 GJB-181，GJB-181A，飞行电子设备供电特性 GJB-298，军用车辆28伏直流电气系统特性 IEC 61000-4-29，各种电气与电子设备作电磁兼容性的测试 RTCA DO-160F,机载设备

16、环境条件和试验程序 各种按照产品供电特性自定义的电压瞬态要求，如下图为某IC设计工作自定义波形 Power&Energy Page N6705直流电源分析仪平台上的瞬态仿真 N6705 家族提供四个系列的电源模块:高性能/精密电源模块，最高电压60V，最大功率500W 电源模块型号电源模块型号 最高电压最高电压 功率功率*电压上编程时间电压上编程时间*电压下编程时间电压下编程时间 N6751/N6752A/N6761/N6762A 50 V 50W 100 W 1.5ms 1.3ms N6753A/N6763A/N6755A/N6765A 20 V 300 W 500W 1.5ms 1.8ms N6754A/N6764A/N6756A/N6766A 60 V 300 W 500W 2.0ms 2.2ms Power&Energy 21 Page APS 更快、更高功率的瞬态仿真 前所未有的高性能电源产品(APS)Power&Energy 22 Page N7900A APS的电压编程时间 23 更高的输出电压范围 160V 更大的输出功率范围，单台2KW，并联至10KW 更快的编程速度