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Maxim 高級工程師 Dwight Larson Oscilloscope Math Functions Aid Hot-Swap Circuit Analysis 盡管數字示波器是電路實驗室中最常見的儀器，但有些功能可能并不為人所熟知，數字示波器的計算功能就是其中之一。其實利用數字示波器的計算功能可以簡化對熱插拔和負載切換電路的分析。本篇應用筆記將介紹如何利用示波器獲取MAX5976熱插拔電路中MOSFET功耗和負載電容的精確值。 數字示波器的計算功能是數字示波器最有趣的功能之一，可以簡化和擴展對熱插拔與負載切換電路的分析。巧用示波器的計算功能可以得出負載電容或MOSFET在導通和關斷時的瞬時功耗，這些參數對于設計和分析熱插拔與負載切換電路非常有意義，如果沒有示波器計算功能，這類參數只能做近似估計。 本篇應用筆記介紹如何利用示波器檢測熱插拔電路MOSFET功耗和負載電容的精確值。 設置示波器 簡化起見,我們用圖1所示的MAX5976熱插拔電路來做演示，其內置的檢流功能和帶驅動的MOSFET構成了一個完整的電源切換電路 (下面的測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，示波器即可獲取計算所需信號，兩個電壓探頭分別接輸入和輸出，用于檢測MOSFET兩端壓降，電流探頭用來檢測流過MOSFET的電流。 
圖1 示波器探頭連至MAX5976或MAX5978熱插拔電路，示波器則利用測試結果進行計算。 這個基本連接方式同樣適用于非集成的熱插拔電路。測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在內部，MAX5978則是外置MOSFET)，電流探頭要與電路檢流電阻串聯。為了測到流經開關元件的精確電流值，電流探頭應該放在輸入電容后，輸出電容前的位置。 MOSFET功耗 開關器件(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是電流探頭直接測量的結果。我們用的示波器(Tektronix® DPO3034)有一個專門的計算通道，可以通過如下(圖2)菜單配置。
圖2 DPO3034 數字示波器的高級計算菜單可以直接編輯計算公式 通過簡單編輯一個公式,實現通道1與通道2之差乘以電流探頭測得的值，從而得出MOSFET功耗。當熱插拔電路使能后，輸出電壓以dV/dt的斜率接近輸入電壓，流經MOSFET的輸出電容充電電流(ID)為: ID = COUT × dV/dt 當輸出電容為360µF，VIN = 12V時，MOSFET導通瞬間示波器屏幕截圖如圖3a所示。MAX5976將瞬時浪涌電流限制在2A。注意功率波形是一個下降的斜坡，開始于12V × 2A = 24W，當輸出電壓升至12V時降至0W，熱插拔電路以恒定電流為負載電容充電，這正是我們所期望的。 如此方式測得的功率波形可用來判斷MOSFET是否工作在其安全工作區(SOA),或根據數據資料的相關圖表估算MOSFET結溫的溫升。根據實測波形直接進行計算的誤差要小很多。另外，即使如圖3b所示的浪涌電流和dV/dt都不是常數，功耗的測量波形依然精確。
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。
圖3b 浪涌電流和dV/dt都不是常數時，測得的功耗波形依然精確。此處的浪涌電流就沒有限流。
圖4 對功率積分可以得出圖1電路中MOSFET在開啟階段的總能耗 如果示波器支持積分功能, 則能進一步得出MOSFET在任何高耗能事件中的實際總能耗。圖4新增紅色曲線為利用示波器積分功能計算出MOSFET消耗的能量信息。 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內是一個三角形狀，可以算出大約有24W/2×2ms=24mJ的能量變成了熱�？梢钥闯�，當MOSFET開啟結束時，示波器積分功能計算出的能量數據就是24mWs (=24mJ)! 此類功能還適用于分析MOSFET的其它瞬態事件，如關斷，短路或過載。如此詳盡的功率和能量數據可用來精確分析MOSFET瞬態事件發生時的SOA和溫度特性。 測量負載電容 數字示波器計算功能中的積分功能還可用來測量熱插拔電路中的負載電容。假設不考慮電路阻抗對電流的影響，則負載電容值等于電容電壓每變化一伏改變的電量；而電量就是電流對時間的積分。因此，對熱插拔電路浪涌電流除以輸出電壓的值進行積分，數字示波器就可以精確計算出負載電容值大小。圖5a中，熱插拔控制器輸出有三個10µF陶瓷電容。由于作為分母的電壓初始值為零，所以計算曲線的開始階段沒有任何實際意義。但VOUT超過伏后，計算出的電容值大約為27µF�？梢钥闯�，盡管示波器的功能已經十分強大，但仍不能如我們所希望的那樣正確顯示電容值單位！ 圖5b的測試和圖5a相同,但在輸出電容處增加了一個330µF電解電容，當MOSFET開啟結束時，可以看到示波器顯示結果恰好就是360µF，正是我們所期望的。注意阻性負載會降低電容測試的精度，因為它會分流進入電容的電荷。但對于瞬態時間分析，結果依然非常有用。
圖5a 當COUT=30µF時，圖1電路測得的輸出電容值
圖5b 當COUT=30µF+330µF時，圖1電路測得的輸出電容 |
