用于辅助电路分析的示波器数学功能 示波器, 热插拔, 数学, 测量, 检测

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要点
1.数字示波器的数学通道可以帮助你分析热插拔电路和负载切换电路。

2.集成MOSFET的MAX5976热插拔器件包含了一个内置MOSFET开关元件，并有电流检测与驱动电路，构成了一个完整的功率开关电路。

3.选择示波器探头时，使VDS为通道2与通道1之间的差值，并用电流探头测量漏极电流。

4.阻性负载会拉取并未存储在电容中的电流，从而降低这些电容测量的精度。但对于快速测量，这些结果还是有用的。

大多数工程实验室都有数字示波器，但很多工程师并没有完全用到它们的功能。一台数字示波器最有意思的功能是它的数学通道，它可以帮助你分析热插拔与负载切换电路。数学功能可以得出有关热插拔电路参数的详细信息，帮助你做设计和查错。例如，你可以使用示波器的数学功能计算负载电容，这可以揭示出一只MOSFET在上电或断电时的瞬时功耗。

示波器设置

为了给出一个有关数学功能使用的概念，我们考虑集成了MOSFET的MAX5976热插拨器件。它包括一个内置的MOSFET开关元件，以及电流检测与驱动电路，构成一个完整的功率开关电路。测试方法也适用于分立元件制成的热插拔控制电路。将示波器探头连接到图1中的热插拔电路，使示波器能够获得计算所需要的信号。电压探头连接到电路的输入和输出，提供了MOSFET上的电压降。一个电流探头提供了探测通过器件负载电流的最简单方法。

这种基本连接方法同样也适用于非集成式热插拔电路。将输入和输出电压探头连接在MOSFET的前后。这些探头在MAX5976内部，但在MAX5978外部。将电流探头与电路的电流检测电阻相串联。为了精确地测得流经开关元件的电流，电流探头要置于输入旁路电容后，以及输出电容前。探头必须测量通过控制器的电流。电容COUT和CIN不能处于控制器与电流探头之间。



图1，将电压探头跨接在一只MOSFET上，测量VDS(a)，用电流探头测量ID(b)。

MOSFET功耗

开关元件( 典型情况是一只N沟道MOSFET)的功耗是VDS(漏源电压)与ID(漏极电流)的乘积。选择示波器探头时，要让VDS是通道2和通道1之间的差值，并用电流探头测量漏极电流。在本例中，示波器是Tektronix公司的DPO3034，它有一个可通过高级数学菜单配置的数学通道。

在测量MOSFET功耗时，只需要简单地输入一个式子，将通道2和通道1相减，结果再乘以电流探头的信号。当热插拔电路被使能时，其输出电压以某个dV/dt转换速率上升到输入电势。负载电容的充电电流以下式流经MOSFET：ID=COUT×(dV/dt)。

在示波器上捕捉这个起动事件，就得到图2中的波形，其输出电容为360μF，输入电压为12V。热插拔器件将浪涌电流限制在2A。注意，电源波形是一个递减的斜坡，当以一个恒定电流为负载电容COUT充电时，波形开始为24W(12V×2A)，当输出升至12V时降到0W。



图2，图1中电路的MOSFET功耗(中间迹线，红色)，COUT为360μF。热插拔器件将浪涌电流限制在2A。

测量会告诉你，MOSFET的电压、电流和温度是否处于其安全的工作区间。通过参照MOSFET数据表中的有关图表， 可以估算出MOSFET结温的上升。通过对电压和电流的实际测量，直接计算出功率波形，从而消除了做功耗近似时固有的误差。此外，还可以在一个上电事件期间精确地捕捉到功率波形，此时浪涌电流和dV/dt都不是稳定的(图3)。COUT为360μF，浪涌电流被箝位在2A。



图3，在起动期间，电压VDS(上迹线，黄色)和通过MOSFET的电流ID(下迹线，绿色)都不是恒定的。
如果你的示波器数学功能中包含了积分，则可以做进一步的波形计算。积分运算可以显示出在一个事件中MOSFET耗散掉的总能量。图4对MOSFET功率信息使用了积分函数。由于在上电的约2ms内，功率波形有一个三角形，因此可以预测出约24W/2×2ms=24mJ的能量，它会在MOSFET上转化为热量。在上电事件结束时，数学通道的功率积分达到了几乎精确的24mJ能量。

这种方法可以用于影响MOSFET的其它瞬态情况，如断电、短路或过载事件。在检查MOSFET的安全工作区间和热特性时，用这个详细的功率-能量信息，可以对脉冲周期和“单脉冲功率”做出精确的计算。

测量负载电容

另外，还可以使用示波器的积分功能，测量热插拔负载电容，前提是上电期间有小的阻性负载电流。电容是每伏特存储的电荷量，而电荷不过是电流对时间的积分。因此，通过对热插拔浪涌电流的积分，并除以输出电压，示波器的数学功能就可以精确地测量出总负载电容。

图5中的热插拔控制器连接到三只陶瓷输出电容，每个标称值为10μF。电容的迹线(红色)开始没有意义，因为在输出电压上升前有除零问题。但当输出电压超过0V时，数学功能快速地收敛到一个大约27μF的测定电容。标尺为10μF/刻度。



图4，对功耗的积分可得到MOSFET的总能耗

图6重复了图5的实验，但在输出端增加了标称值为330μF的铝电解电容。当起动事件结束时，数学迹线显示测得的输出电容约为350μF—这几乎与预期的完全一样，标尺为100μF/刻度。



图5，对输出电容的测量表明COUT为30μF。



图6，增加一只330μF电容，测得的输出电容为350μF。

记住，一个阻性负载会拉入并不存储在电容中的电流，从而降低这些电容测量的精度。但对简短的测量，结果还是有用的。