示波器耦合方式對(duì)電源負(fù)載動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性測(cè)試結(jié)果的影響

開關(guān)電源測(cè)試中通常都要測(cè)量負(fù)載動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性,其目的是測(cè)試輸出負(fù)載變化情況下，電源輸出電壓穩(wěn)定在整定值的能力。最關(guān)注的測(cè)試指標(biāo)是過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間。圖一所示為過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間的定義及測(cè)試方法接線圖。恢復(fù)時(shí)間是指直流輸出電壓隨著負(fù)載的變化開始出現(xiàn)過(guò)沖開始，恢復(fù)至小于等于并不再超過(guò)負(fù)載調(diào)整率處止的這段時(shí)間。（沒(méi)有輸出負(fù)載調(diào)整率要求的以輸出電壓范圍界定）

圖一過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間的定義及測(cè)量方法接線圖

過(guò)沖幅度是指負(fù)載變化帶來(lái)的過(guò)沖的最大值和電壓穩(wěn)態(tài)值的電壓差。測(cè)試要求在全范圍輸入電壓條件下，分別測(cè)試輸出負(fù)載按照額定值的25%－50%－25%，以及按照額定負(fù)載的50%-75%-50%跳變時(shí)，觀察示波器上檢測(cè)到的過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間，按圖一定義記錄過(guò)沖幅度及恢復(fù)時(shí)間。輸出電流變化速度要求不小于一定的值（根據(jù)不同電源要求的規(guī)格書或司標(biāo)要求而定），跳變時(shí)間間隔要大于完全穩(wěn)定所需時(shí)間（穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)表明環(huán)路會(huì)比較慢，需要注意考察其他相關(guān)項(xiàng)目是否合格），示波器上波形建議有2到3個(gè)周期為好（包括正、負(fù)）。

問(wèn)題：在進(jìn)行上述測(cè)試時(shí)，示波器通道耦合方式應(yīng)該選擇為交流耦合還是直流耦合？很多公司都按交流耦合的方式測(cè)試。我之前也沒(méi)有懷疑過(guò)這種方法，直到有一天有客戶發(fā)現(xiàn)用D公司的示波器測(cè)試結(jié)果和力科的測(cè)試結(jié)果差別很大。如圖二所示，兩個(gè)示波器都是用AC耦合，力科示波器測(cè)量出來(lái)的恢復(fù)時(shí)間大約為27ms，D示波器測(cè)試出來(lái)的大約為198ms。如果按力科的測(cè)試結(jié)果就合格，按D的測(cè)試結(jié)果就不合格。

為什么會(huì)有上述差別？哪個(gè)結(jié)果是正確的?（有些工程師看到所在公司大都是用力科示波器，于是就認(rèn)為力科的結(jié)果是正確的;有些工程師看到所在公司用大都是用D公司的示波器，于是就認(rèn)為D公司的結(jié)果是正確的。遇到這種先入為主的判斷是在銷售示波器的過(guò)程中令人感到痛苦甚至有點(diǎn)傷心的時(shí)刻。）

圖二力科示波器測(cè)量的恢復(fù)特性

圖三D公司示波器測(cè)量的恢復(fù)特性

二、示波器的AC耦合

示波器的AC耦合方式通常理解為在示波器的輸入通道增加了一個(gè)隔直電容，示波器的前端放大器的特性在AC耦合時(shí)表現(xiàn)為帶通濾波器。不接探頭時(shí)，力科示波器和D公司的示波器在AC耦合時(shí)的低頻段的截止頻率是很接近的，都小于10Hz（典型值8Hz）。但D示波器在連接探頭之后的截止頻率會(huì)降低10倍，大約0.7Hz，這在頻域上理解就是不能完全隔斷直流信號(hào)，所以在時(shí)域上表現(xiàn)為充電時(shí)間更長(zhǎng)，測(cè)試出來(lái)的恢復(fù)時(shí)間會(huì)大很多。力科示波器的截止頻率不受探頭的影響，截止頻率仍然是8Hz左右。這說(shuō)明用D示波器的AC耦合方式測(cè)試出來(lái)的恢復(fù)時(shí)間的結(jié)果是完全錯(cuò)誤的。圖四和圖五分別畫出了兩種不同示波器在有無(wú)探頭時(shí)的幅頻特性。

圖四D示波器在連接探頭和不接探頭時(shí)的幅頻特性，連接探頭之后截止頻率降低10倍

圖五力科示波器在連接探頭和不接探頭時(shí)的幅頻特性是一樣的

我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上面的幅頻特性。將0.1Hz的方波信號(hào)通過(guò)BNC線直接輸入到D公司的示波器的通道1，同時(shí)通過(guò)無(wú)源探頭輸入到示波器的通道2。兩個(gè)通道都設(shè)置為AC耦合。圖六顯示了兩個(gè)通道測(cè)試出來(lái)的結(jié)果對(duì)比。通道1的恢復(fù)時(shí)間為30ms，通道2因?yàn)橥ㄟ^(guò)探頭連接，恢復(fù)時(shí)間非常長(zhǎng)。為什么？還是那個(gè)原因，在連接探頭之后，截止頻率降低為0.7Hz，截止頻降低在時(shí)域上理解就是時(shí)間常數(shù)更大，充電時(shí)間更長(zhǎng)，需要接近200ms。這就是為什么前面客戶用D公司的示波器來(lái)測(cè)試出來(lái)的恢復(fù)時(shí)間是那么地長(zhǎng)。

圖六通道1為探頭連接，通道2為BNC線連接

圖七通道1為探頭連接，通道2為BNC線連接

將相同的信號(hào)按相同的方法分別輸入到力科的示波器的通道1和通道2，顯示兩個(gè)通道的測(cè)量結(jié)果是一致的。這說(shuō)明力科示波器在AC耦合方式下，截止頻率不會(huì)因是否連接探頭而變化。為什么D公司的示波器的截止頻率會(huì)在AC耦合時(shí)降低10倍呢？顯然，在D示波器中，AC耦合電容是直接連接到通道輸入端的，而且AC耦合電路沒(méi)有任何buffer設(shè)計(jì)，截止頻率當(dāng)然就會(huì)受到外部輸入的影響,如圖八所示。不接探頭時(shí)，1M歐姆的輸入電阻和AC電容（大約0.02uF）串聯(lián)，時(shí)間常數(shù)為R * C，截止頻率為1/(2 * PI * R * C )=1/（2*3.14*1*10^6(1MOhm)*0.02* 10^-6），約等于8Hz。當(dāng)接上X10無(wú)源探頭之后，探頭的9M歐的電阻和輸入端1M歐電阻串行在了一起，時(shí)間常數(shù)增加10倍，截止頻率降低10倍。

圖八示波器的輸入電路原理框圖

在力科示波器設(shè)計(jì)中，我們有兩種方法保證截止頻率不受到外部連接探頭等輸入源的影響，一種方法是將AC耦合電路放在了放大器的后面，另外一種方法是通過(guò)緩沖器將探頭的電阻和AC耦合電容隔離出來(lái)，保證時(shí)間常數(shù)（截止頻率）基本不變。力科的某款示波器的AC耦合電路設(shè)計(jì)如圖九所示，通過(guò)耦合電容左邊的400K歐電阻與探頭的9M歐電阻及輸入端800K歐電阻并聯(lián)，然后再和耦合電容及400K歐的電阻串聯(lián)，時(shí)間常數(shù)中的R由1M歐變化為784K歐，因此，截止頻率基本不變。

圖九帶有Buffer的AC耦合電路設(shè)計(jì)

三、正確的測(cè)量方法

既然力科的AC耦合不受探頭的影響，那么是否可以說(shuō)負(fù)載動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量的正確方法是：第一，如果要使用無(wú)源探頭測(cè)量恢復(fù)時(shí)間，就一定要用力科示波器并將耦合方式設(shè)置為AC耦合。第二，如果迫不得已，一定要用D公司的示波器就必須用BNC線來(lái)測(cè)量并一定要將耦合方式設(shè)置為AC耦合？

用AC耦合方式就一定是正確的嗎？讓我們跳出力科示波器和D公司示波器的思維圈子，以純學(xué)術(shù)性思維來(lái)思考電源負(fù)載動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性測(cè)量這一問(wèn)題的本身。如果我們仔細(xì)觀察圖三中D示波器測(cè)量的波形，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)開始部分（藍(lán)色標(biāo)記的部分）下降得很快，我想這部分可能表示了真正的電路恢復(fù)特性。在力科的測(cè)量波形看不到下降特別快的單獨(dú)部分，但D示波器有很長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，所以可看出不同的表現(xiàn)形式。事實(shí)上，對(duì)于電源動(dòng)態(tài)負(fù)載恢復(fù)時(shí)間測(cè)量，我們希望測(cè)量到的應(yīng)是圖九所示的紅圈標(biāo)識(shí)部分的時(shí)間。將此波形分解為兩部分，一部分是在穩(wěn)態(tài)電壓，另外一

圖十示波器在DC耦合方式下測(cè)量恢復(fù)時(shí)間

部分是從負(fù)載跳變的轉(zhuǎn)換部分。在DC耦合時(shí)兩部分理論上都能準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，如圖十一的藍(lán)色虛線所示。但在AC耦合時(shí)，測(cè)量到的紅色部分是由AC耦合電容和電阻構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)大小決定的。藍(lán)色的轉(zhuǎn)換部分可能會(huì)受到AC耦合的時(shí)間常數(shù)的影響。如果AC耦合的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于被測(cè)電源的恢復(fù)時(shí)間，那么可以用AC耦合方式，但在實(shí)際測(cè)量中通常都難以滿足這個(gè)條件。

為了準(zhǔn)確的測(cè)量，您需要消除掉紅色部分的的影響，因此，最好是用DC耦合。圖十二的通道1和通道2波形分別是DC耦合和AC耦合時(shí)的測(cè)量結(jié)果。但在DC耦合下，又有兩個(gè)問(wèn)題：第一，被測(cè)電壓很大時(shí)，譬如測(cè)量48V的電壓，示波器的量程需要設(shè)置得比較大(譬如10V/div)，這時(shí)候負(fù)載變化帶來(lái)的電壓轉(zhuǎn)換部分在示波器中的所占的區(qū)域就很小，量化誤差很大，難以準(zhǔn)確分辨、測(cè)量出過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間。如果將示波器量程設(shè)置小一些，就需要大幅度調(diào)節(jié)DC偏置電壓，但在小量程下普通無(wú)源探頭的偏置電壓范圍是有限的，那么示波器就可能顯示不出來(lái)負(fù)載變化的部分。第二，負(fù)載的快速動(dòng)態(tài)變化會(huì)使探頭和示波器的放大器有過(guò)載的可能從而產(chǎn)生過(guò)載恢復(fù)時(shí)間和過(guò)載電壓，這也會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。

圖十一DC耦合與AC耦合對(duì)測(cè)量的影響

圖十二DC耦合和AC耦合測(cè)量結(jié)果差異

那么該怎樣測(cè)量輸出電壓比較大的電源動(dòng)態(tài)負(fù)載恢復(fù)時(shí)間呢？力科的DA1855A差分放大器提供了很好的解決上述問(wèn)題的方法。DA1855A具有很大的偏置范圍、非常優(yōu)異的過(guò)載恢復(fù)能力及最好的共模抑制比。在DC耦合下也不用擔(dān)心偏置電壓范圍。對(duì)于小電壓的恢復(fù)時(shí)間測(cè)量，就直接用普通無(wú)源探頭，設(shè)置為DC耦合方式就可以了。