如何利用示波器测量开关电源死区时间

01桥臂直通与死区时间

在当今复杂而精密的电子技术领域，开关电源作为众多电子设备的核心供电组件，其性能与稳定性至关重要。然而，在实际的研发、生产及应用过程中，我们时常会面临一个棘手的问题——开关电源中桥臂直通现象。这一问题不仅关乎电源本身的安全与可靠性，还可能对整个电子设备系统的稳定运行造成严重影响。

我们以一个简化的同步Buck变换电路来说明桥臂直通问题。

以上桥臂电路包含了两个晶体管（开关管）Q1和Q2，我们称为上管和下管，有时也用High Side高侧和Low Side低侧来指代桥臂的上、下部分。实际桥臂电路中的晶体管可能是MOSFET、IGBT或新型的GaN和SiC等器件。

在正常运行时，两个开关管依次轮流开通和关断。如果两个开关管同时导通将导致电流上升，此时的电流将仅仅由环路的杂散电感限制。桥臂直通会导致大电流，引起不必要的额外损耗，甚至可能损坏器件和整个设备‌。

当然，没有谁故意使两个开关管同时开通，但是由于晶体管并不是理想开关器件，其开通时间和关断时间不是严格一致的。为了避免桥臂直通，通常建议在控制策略中加入所谓的互锁延时时间，更普遍的叫法是死区时间（Dead Time）。

有了这个额外的死区，其中一个晶体管要首先关断，然后在死区时间结束时开通另外一个晶体管，这样，就能够避免由开通时间和关断时间不对称造成的直通现象。如上图的td1是下管关断后，上管开通前的死区时间；td2则是上管关断后，下管开通前的死区时间。

死区时间对系统性能有显著影响。过短的死区时间可能导致两个晶体管同时开启，引起电流冲击，增加功率器件的损坏风险；而过长的死区时间则会导致输出电流波形变形，降低系统的效率‌。因此，准确测量和控制死区时间对于电源系统的性能和效率至关重要‌。

02死区时间的理论计算

如何确定一个合理的死区时间？一方面让它满足避免桥臂直通的要求，另一方面应让它尽可能地小，以确保开关电源系统能正常工作。因此这里的一个很大的挑战就是如何为一个专用的晶体管如IGBT和驱动电路找出合适的死区时间。

通常电子工程师采用以下理论公式计算和控制死区时间，其中：

■td_off_max：晶体管的最大关断延迟时间

■td_on_min：集体管的最小开通延迟时间

■tpdd_max：驱动信号的最大传输延迟时间

■tpdd_min：驱动信号的最小传输延迟时间

■1.2：安全裕度系数

以上公式中，第一项td_off_max – td_on_min 是最大的关断延迟时间与最小的开通延迟时间的差值。它描述了IGBT器件本身的特性，且与所使用的栅极电阻有关，电阻越大延迟越长。下降和上升时间也有影响，但和延迟时间比较起来小得多，所以这里没有考虑。第二项tpdd_max – tpdd_min是由驱动电路决定的信号传输时间的差值。该参数通常可在驱动器制造商提供的数据表中查到，对于基于光耦合器的驱动器，该参数值通常很大。

理论上死区时间可以由数据手册提供的典型值来计算得到，再简单乘以来自现场经验的安全裕度系数（如以上公式中的数字1.2）。但因为IGBT器件和驱动电路的数据手册仅给出标准工况下的典型值，我们还是需要通过示波器的测试以获得更贴近实际工况的死区时间，以确定设计的死区时间是否合适。

03如何用示波器测量死区时间

开关电源的可靠性测试中，必须对所有极端情况进行稳健的测试，以确保始终满足重要的设计标准。工程师必须考虑到负载变化、输入电压变化、温度变化和DC link直流母线上的干扰（不平衡的三相逆变器可能引起干扰）。

可靠性测试的另一个考虑因素是示波器的盲区时间，即信号采集之间的时间窗口，示波器在此期间无法执行测量。拥有更快波形捕获率的数字触发架构示波器，可以捕捉更多瞬态情况。

工程师通过将死区时间的设计标准设置为示波器的触发条件，来检验各种极端情况下电路是否存在桥臂直通隐患。

01 示波器的A-B-R触发简介

在电子测量领域，示波器的触发功能如同捕捉信号特征的“精准闸门”，其核心目标是将动态信号中用户关心的特定事件稳定呈现。

以边沿触发这一基础模式为例，它通过识别信号上升沿或下降沿的电压阈值，实现了对单次脉冲、周期性信号的有效捕获。然而，面对电路中的多事件序列、逻辑关联信号等复杂场景，单次事件触发的局限性逐渐显现——它无法表征事件间的时序依赖关系，更难以排除干扰信号的误触发。

A-B-R触发（A事件、B事件与复位条件组合触发）正是为解决这一技术瓶颈而诞生的高级触发模式。该机制允许用户定义两个独立触发事件（A和B）及复位条件（R），形成“当A事件发生后，持续监测B事件是否满足条件，且在未触发R复位时完成捕获”的逻辑链路。

A-B-R触发不仅将示波器从单一事件检测升级为信号序列分析，更为开关电源、高速数字系统、射频通信等领域的故障诊断提供了技术支撑。

02 在特定的死区时间进行触发

假如某开关电源电路没有通过EMI测试，整改中可能会增加开关管的栅极电阻，同时Vgs的上升和下降时间也会相应增加。

如上图所示，上升/下降时间的变化会导致死区时间(tD)随之变化，即在特定电压（例如阈值电压）下高边和低边栅极之间的延迟变化。前面章节中提到死区时间太大时输出电流波形会变形，降低系统的效率。我们需要查看电路在所有条件下（例如温度、输入电压和负载变化）是否有超过范围的死区。

以上是采用信号发生器来模拟开关电源的两条波形：

黄色：C1通道，上管Vgs

绿色：C2通道，下管Vgs

为了在特定的死区时间触发，我们按以下描述设置A-B-R触发（Normal正常模式）：

A触发事件设为通道C1的下降沿，触发电平2V。A触发事件之后，延迟500ns再启动B触发事件的等待。

B触发事件设为通道C2的上升沿，触发电平2V。

R触发（重置）设为A触发事件发生后，如果540 ns内没有发生B触发事件，则复位重置，并重新启动等待A触发事件。

以上触发设置中，可触发的死区宽度位于是500ns~540ns之间。我们最终通过“正常”触发模式，捕获到以下这帧波形，通过额外的光标测量，我们看到C1上管黄色波形和C2下管绿色波形在2V阈值电平处，具有510ns的延迟，即当前这个瞬间开关电源的死区时间为510ns。

如果有波形的死区时间为550ns，示波器是不会触发的，因为在第540ns时，触发系统启动了复位操作，又重新从A触发事件开始等待触发了。

03 高负载时的高边Vgs毛刺触发

另一个可靠性测试场景下，开启下管开关时，上管开关上通常会出现毛刺，这种毛刺的高度和负载有关系。毛刺电压如果在设计的死区时间之内，超过阈值，将会导致桥臂直通。在这种情况下的设计标准是最大可容忍毛刺电压。

如上图所示，我们还是采用信号发生器来模拟开关电源的两条波形：

黄色：C1通道，上管Vgs

绿色：C2通道，下管Vgs

为了检验特定死区内上管毛刺电压是否超过设计标准，我们按以下描述设置A-B-R触发（Normal正常模式）：

A触发事件设为通道C2的下降沿，触发电平2V。A触发事件后，不做任何延迟，立即启动B触发事件的等待。

B触发事件设为通道C1的毛刺触发，在触发电平1.5V处，如果毛刺宽度大于50ns，则B触发事件成立。

R触发（重置）设为A触发事件发生后，如果200ns内没有发生B触发事件，则复位重置，并重新启动等待A触发事件。

本例中，我们通过“正常”触发模式，捕获到以下这帧波形。C2绿色下管波形的下降沿后200ns内， C1黄色上管波形出现了一个毛刺，此毛刺能够触发是因为在1.5V触发电平处，该毛刺宽度超过了设定的50ns。

实际测试中，我们可以逐步提高B触发事件中的毛刺触发电平，通过示波器是否触发成功，来判断上管毛刺电压是否超过设计标准中既定的最大可容忍毛刺电压。

04开关电源测试的仪器推荐

在开关电源测试领域，构建高精度、高可靠性的测量系统是确保设计验证与故障诊断效率的核心。推荐采用罗德与施瓦茨公司的RTO64、MXO5、MXO4系列示波器，这三个系列都具备完善的A-B-R触发功能，搭配RT-ZHDxx高压差分探头、RT-ZCxx电流探头及RT-ZISO光隔离探头，形成覆盖信号完整性、功率分析与安全隔离的全维度解决方案。

尤为关键的是RT-ZISO光隔离探头，其采用光纤供电与信号传输技术，在±60kV共模电压下仍能提供高达90dB的共模抑制比（1GHz带宽），彻底消除地回路干扰对测量结果的影响。例如在第三代半导体器件测试中，该探头可将GaN开关管Vgs/Vds信号的上升时间解析至450ps以下，避免传统差分探头因寄生电容引发的桥臂直通“炸管”风险。

罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。成立90 年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。