使用差分来测试开关模式电源

在从墙壁插座到被供电设备的过程中，电力通常通过开关模式电源，其中交流信号在到达设备之前被整流为直流。之后，直流信号（通常为 5 V）被传递到设备 PC 板上的 DC-DC 转换器，以将各种电压馈送到设备供电网络的分支。让我们看一下与测试开关模式电源相关的一些测量技术和注意事项。

图 1. 显示的是一个基本开关模式电源电路，左侧带有用于交流输入的二极管/电容器整流器，后面是由 PWM 控制器驱动的开关晶体管，该控制器确定在远端看到多少直流功率。变压器。

基本的开关电源电路是什么样的？在图 1 中，左侧的输入侧以二极管和电容器开始，用于整流交流输入。接下来是一个开关晶体管（通常是 MOSFET），由脉宽调制 (PWM) 控制器驱动，该控制器确定变压器远端有多少直流功率。其中一些信号被馈送到运算放大器，该运算放大器向 PWM 调制器提供反馈，以便它可以根据负载正确调整直流电压。

可以在变压器的两侧进行多种测量。在不以地为参考的输入侧，测量包括：

　　浪涌电流
　　电能质量
　　线路电源
　　开关损耗
　　安全操作区
　　控制回路
　　动态导通电阻
　　在以地为参考的输出侧，测量值包括：
　　阶跃负载响应
　　波纹
　　变压器BH（磁化）
　　饱和
　　关断特性
　　测量电压

开关模式电源上的电压提出了一些测量挑战。它们涵盖从毫伏到千伏的宽动态范围。在输入侧，它们不以地为参考。您必须关心电路负载的影响。而且，这本来就是一个嘈杂的环境；该噪声可能会耦合到您的探头和/或您要测量的信号中。

使用通用示波器和典型的 10 MΩ 无源探头，测量电压时会遇到以下问题：如果要探测 MOSFET，应将接地线连接到哪里？例如，如果 V GS的一侧为 +175 V  ，另一侧为 -175 V，则没有真正的接地。当然，您可以将地连接到一侧，但这可能会导致短路。探头的接地线连接到示波器外壳，示波器外壳通过示波器电源线中的地线连接到大地（图 2）。这会导致接地环路在拦截任何杂散磁场时就像短路的变压器匝一样。当然，承载高电流的导体会产生这些场。

图 2. 探头的接地线连接到示波器外壳，示波器外壳通过示波器电源线中的地线接地。这会导致接地环路在拦截任何杂散磁场时就像短路的变压器匝一样。

接地环路中的循环电流会在环路内的任何阻抗上产生电压。对于交流元件，主要的损耗元件是感性的。探头的接地引线形成一个电感器，该电压的交流分量出现在该电感器上。因此，示波器探头输入处的电压不等于探头处的电压。示波器测量 BNC 连接器处的电压，而不是探头的电压。

解决这个问题的方法是使用真正的差分放大器，它可以为不以地为参考的信号提供的测量质量（图 3）。差分放大器的输出以地为参考，因此示波器保持安全接地。放大器的两个输入均为高阻抗，限度地减少了电容负载对电路操作和测量的影响。

图 3. 接地环路问题的解决方案是使用真正的差分放大器，它可以为不以接地为参考的信号提供的测量质量。

差分放大器接收两个输入信号并将它们相减，从而无需接地。它还具有消除两个探头上的任何公共信号的优点（共模抑制）。因此，MOSFET 开关耦合的噪声通常会进入两个探头并被抵消。 Teledyne LeCroy 的 DA1855A 是此类应用中常用的差分放大器的一个示例。