数字示波器计算的积分功能可用来测量热插拔电路中的负载电容？

简介

数字示波器的计算功能是数字示波器最有趣的功能之一，可以简化和扩展对热插拔与负载切换电路的分析。巧用示波器的计算功能可以得出负载电容或 MOSFET 在导通和关断时的瞬时功耗，这些参数对于设计和分析热插拔与负载切换电路非常有意义，如果没有示波器计算功能，这类参数只能做近似估计。

本篇应用笔记介绍如何利用示波器检测热插拔电路 MOSFET 功耗和负载电容的精确值。

设置示波器

简化起见，我们用图 1 所示的 MAX5976 热插拔电路来做演示，其内置的检流功能和带驱动的 MOSFET 构成了一个完整的电源切换电路（下面的测试方法同样适用于由分立元件搭的热插拔控制电路）。按图 1 所示方式将示波器探头连至热插拔电路，示波器即可获取计算所需信号，两个电压探头分别接输入和输出，用于检测 MOSFET 两端压降，电流探头用来检测流过 MOSFET 的电流。

图 1. 示波器探头连至 MAX5976 或 MAX5978 热插拔电路，示波器则利用测试结果进行计算。

这个基本连接方式同样适用于非集成的热插拔电路。测试输入和输出电压的探头分别接到 MOSFET 的前面和后面（MAX5976 的 MOSFET 在内部，MAX5978 则是外置 MOSFET），电流探头要与电路检流电阻串联。为了测到流经开关元件的精确电流值，电流探头应该放在输入电容后，输出电容前的位置。

MOSFET 功耗

开关器件（通常是 n 沟道 MOSFET）的功耗等于漏极 / 源极电压差（VDS）与漏极电流（ID）的乘积。图 1 中，VDS 是通道 2 和通道 1 的差，ID 是电流探头直接测量的结果。我们用的示波器（Tektronix® DPO3034）有一个专门的计算通道，可以通过如下（图 2）菜单配置。

图 2. DPO3034 数字示波器的高级计算菜单可以直接编辑计算公式。

通过简单编辑一个公式，实现通道 1 与通道 2 之差乘以电流探头测得的值，从而得出 MOSFET 功耗。当热插拔电路使能后，输出电压以 dV/dt 的斜率接近输入电压，流经 MOSFET 的输出电容充电电流（ID）为：

ID = COUT × dV/dt

当输出电容为 360µF，VIN = 12V 时，MOSFET 导通瞬间示波器屏幕截图如图 3a 所示。MAX5976 将瞬时浪涌电流限制在 2A。注意功率波形是一个下降的斜坡，开始于 12V × 2A = 24W，当输出电压升至 12V 时降至 0W，热插拔电路以恒定电流为负载电容充电，这正是我们所期望的。

图 3a. 图 1 电路中的 MOSFET 功耗（红色波形），COUT = 360µF，浪涌电流被限制在 2A。

如此方式测得的功率波形可用来判断 MOSFET 是否工作在其安全工作区（SOA），或根据数据资料的相关图表估算 MOSFET 结温的温升。根据实测波形直接进行计算的误差要小很多。另外，即使如图 3b 所示的浪涌电流和 dV/dt 都不是常数，功耗的测量波形依然精确。

图 3b. 浪涌电流和 dV/dt 都不是常数时，测得的功耗波形依然精确。此处的浪涌电流就没有限流。

如果示波器支持积分功能，则能进一步得出 MOSFET 在任何高耗能事件中的实际总能耗。图 4 新增红色曲线为利用示波器积分功能计算出 MOSFET 消耗的能量信息。

图 4. 对功率积分可以得出图 1 电路中 MOSFET 在开启阶段的总能耗。

如图 3a 所示，COUT 为 360µF，浪涌电流被限制在 2A。由于功率在 MOSFET 开启的 2ms 内是一个三角形状，可以算出大约有 24W/2 × 2ms = 24mJ 的能量变成了热。可以看出，当 MOSFET 开启结束时，示波器积分功能计算出的能量数据就是 24mWs （= 24mJ）！

此类功能还适用于分析 MOSFET 的其它瞬态事件，如关断，短路或过载。如此详尽的功率和能量数据可用来精确分析 MOSFET 瞬态事件发生时的 SOA 和温度特性。

测量负载电容

数字示波器计算功能中的积分功能还可用来测量热插拔电路中的负载电容。

假设不考虑电路阻抗对电流的影响，则负载电容值等于电容电压每变化一伏改变的电量；而电量就是电流对时间的积分。因此，对热插拔电路浪涌电流除以输出电压的值进行积分，数字示波器就可以精确计算出负载电容值大小。图 5a 中，热插拔控制器输出有三个 10µF 陶瓷电容。由于作为分母的电压初始值为零，所以计算曲线的开始阶段没有任何实际意义。但 VOUT 超过伏后，计算出的电容值大约为 27µF。可以看出，尽管示波器的功能已经十分强大，但仍不能如我们所希望的那样正确显示电容值单位！

图 5a. 当 COUT = 30µF 时，图 1 电路测得的输出电容值。

图 5b 的测试和图 5a 相同，但在输出电容处增加了一个 330µF 电解电容，当 MOSFET 开启结束时，可以看到示波器显示结果恰好就是 360µF，正是我们所期望的。注意阻性负载会降低电容测试的精度，因为它会分流进入电容的电荷。但对于瞬态时间分析，结果依然非常有用。

图 5b. 当 COUT = 30µF + 330µF 时，图 1 电路测得的输出电容。
责任编辑:pj