中心議題：

• 高壓測試中使用不同示波器測試結(jié)果不一樣

解決方案：

• 最小化量化誤差
• 謹慎處理示波器接地
• 幅頻特性曲線平坦度問題

對于電源客戶而言，MOSFET的電壓應(yīng)力測試是一項關(guān)鍵指標，它決定了電路的調(diào)試，電源的使用壽命，MOSFET器件的選型等。而在電源測試中，我們常常遇到這樣一個現(xiàn)象：測試高壓時不同品牌的示波器測試的結(jié)果差別很大。例如測試大約450V的MOSFET的Vds電壓，三臺示波器的最大差別有50V左右；同一品牌不同型號的示波器差別也很大；同樣的示波器不同探頭測量結(jié)果有時差別也很大。所以在寫測試報告時要標明是用什么型號的示波器和什么序列號的探頭測試出來的結(jié)果。但很多電源工程師并不理解這個問題的理論根源，本文將進行討論。

高壓“測不準”的原因其實很簡單，有四個因素：
第一是示波器的量化誤差問題；
第二是示波器的幅頻特性曲線的平坦度問題；
第三是環(huán)境噪聲的干擾問題；
第四是探頭的共模抑制比和快恢復(fù)特性問題。

1.量化誤差的概念
示波器的A/D只有8位，也就是說對于任何一個電壓值都只有256個0和1來重組。如果包括+/-符號位,示波器的數(shù)字量程是-128~+127。圖一清楚地顯示了這種數(shù)字化采樣的原理。示波器的屏幕最頂部代表的是+127,中間代表的是0，最底部代表的是-128。這種原理就產(chǎn)生了使用示波器的第一原則：最小化量化誤差。這個原則告訴了我們使用示波器的一個常識，為獲得最接近于真實值的電壓值，應(yīng)使垂直分辨率盡可能地小，使顯示的波形盡量占滿示波器的屏幕。
圖二分別表示在1V/div和200mv/div的時候測試相同的信號的效果。在1V/div的時候，示波器的最小量化誤差是（1V*8）/256=31.25mv，這意味著小于31.25mV的信號是無法準確測量出來的。而對于高壓測量，假設(shè)量程是100V/div,示波器的量化誤差是800V/256=3.125V，這意味著小于3.125V的信號是無法準確測量出來的。
有一個更令人印象深刻的例子來說明量化誤差：將探頭的地和信號針直接相連懸在空中，比較量程為20mV/div和100V/div時的pk-pk值，其差異是多大？幾十伏的差異?。∧F(xiàn)在就可以做這個實驗。這表示在100V/div時測試出來的20V的信號，實際上只有不到20mV！所以對于測量800V的高壓，20V的誤差是非常非常正常的！50V也是非常正常的！[page]2.幅頻特性曲線平坦度問題
就示波器的行業(yè)標準而言,示波器幅頻曲線距離理想響應(yīng)的偏差允許達到+/-2dB，這對有些精確度要求很高的測量似乎是很不能接受的誤差范圍。因此,示波器并沒有在測量界定義為計量的工具，它只能說是調(diào)試的工具或測試的工具。

此外，不同型號的示波器，不同品牌的示波器，其前端放大器的響應(yīng)曲線也是有差別的，有的是高斯響應(yīng)，有的是矩形響應(yīng)，有的是四階貝塞爾響應(yīng)。對于輸入相同頻率的信號，不同示波器的垂直參數(shù)的測量結(jié)果肯定是不一致的，不同垂直通道設(shè)置下的測量結(jié)果也應(yīng)是不一致的。

我們從儀器校準專業(yè)了解到，示波器在校準時，一般會把平坦度校準到+/-1.5%以內(nèi)，這是比較嚴格的標準。這意味著，對于理想中的1V的正弦信號，測試的結(jié)果偏差15mv是很正常的。圖三表示理想響應(yīng)和實際的示波器響應(yīng)之間的偏差。
圖四顯示的是我們6GHz的幅頻特性曲線。可以看出其最大偏差遠小于+/-2dB。示波器使用一段時間后平坦度會有些改變需要送校準機構(gòu)進行校準。但通常很多第三方機構(gòu)只能判斷出幅頻曲線是否合格，但并不能將平坦度校準到廠家能校準到的水平。因此，現(xiàn)在常有些客戶要求示波器原廠提供校準服務(wù)。如果比較兩個不同品牌相同帶寬的幅頻特性，對于同一個頻率點其幅值不可能是相等的。
3.環(huán)境噪聲的干擾問題
干擾的傳播有兩個來源，一個是傳導(dǎo)，一個是輻射。前者指干擾沿著導(dǎo)線介質(zhì)來傳播，后者是指通過空中的電磁場的耦合。這兩個因素都會影響測試結(jié)果。

地環(huán)路常是傳導(dǎo)的介質(zhì)。電流采樣的難點也是和接地有關(guān)的，因為通過小電阻來采樣電流后得到的電壓非常小，在強電環(huán)境中非常容易受到干擾，特別是地帶來的干擾給控制環(huán)路的設(shè)計帶來難題。“地”的問題是更復(fù)雜的話題，下面將舉例說明。

專業(yè)的工業(yè)廠房的“大地”有很專業(yè)的接地措施。“大地”可以比成波瀾不驚的大海，而每一個和大地連接的電子設(shè)備的“地”就如流向這大海的無數(shù)條河流。每個電子設(shè)備在工作的時候就會使河流入?？诘牡胤降暮Ｋ?ldquo;混濁”，如果在這附近有另外一個電子設(shè)備也在工作，這條河流變混濁的海水會影響到另外一個河流，這時候另外一個設(shè)備甚至可能不能正常工作。這種相互混濁的過程帶來了一門科學(xué)，就是EMC。功率越大，對地的干擾越大。

我們必須深刻認識到地之間的相互干擾是必須要嚴肅對待的問題。在示波器的測量中，我們強調(diào)一定要三相供電，將示波器的地接到“干凈的”地上。但實際的測量環(huán)境中，干凈的地很難找到，這時候測量結(jié)果就要考慮到地環(huán)路的影響。 有些工程師將示波器的按地插頭去掉，用兩相電源線給示波器供電，試圖通過這種方法來避免環(huán)境地的干擾以及解決懸浮的高壓測試問題。這種浮地的方法是儀器廠家強烈反對的做法，它可能會導(dǎo)致示波器損壞，DUT損壞，還有可能帶來人身安全問題，而且更重要的是，會導(dǎo)致測試波形的嚴重失真。以示波器的機殼作為參考點的測量能準確嗎？一定要讓示波器的地牢固地接到干凈的地上，而地不干凈的時候要想法設(shè)法找到干凈的地接到示波器的地。地是探頭取樣的參考點，必須是干凈的才能得到最準確的測量結(jié)果。

還有輻射。這是一個處處充滿輻射的世界。輻射對測量的影響的故事也很多很多。對于一個48V/50A的通信電源，業(yè)界要求輸出電壓的紋波峰峰值是100mV以內(nèi)，這個指標是指將電源蓋上機殼后的指標。蓋機殼是最后做的事情，做一個項目先設(shè)計出單板，連機殼是什么樣都不知道。這時候我們在測試中需要將示波器的帶寬限制為20M。在不蓋機殼測試為200mV的時候，經(jīng)驗告訴我們這樣已經(jīng)OK了，結(jié)果果真！EMC似乎是關(guān)于經(jīng)驗的學(xué)問。

單端探頭的線差不多都有一米長，我們將這些線懸在空中和將這線盡可能地縮短然后用手握住，測試結(jié)果會有多大差別？這又是經(jīng)驗。在將負載增加的過程中，為了能從示波器中看出信號的端倪，工程師不得不不斷地折騰探頭的線，一會松開線看看波形，一會又將線裹在一起握住看看波形。這種痛苦對于弱電的研發(fā)是感受沒有那么強烈的。

有時侯有些工程師為了省事，同時用多個通道時，只將一個探頭的地線接上，這無疑為對測量結(jié)果影響很大。探頭的地線越短越好，地線和信號線之間的環(huán)路面積越大，輻射帶來的影響越大。這在霍華德那本經(jīng)典書中一開始就有談到。

有時候探頭的地線被磨損了，測試的波形看起來是一條直流信號上有很多細小的毛刺。沒有很好屏幕效果的地線也會極大地增加輻射的干擾，在高壓測試中很輕松地帶來 100V以上的誤差。

在用高壓差分探頭測試時，需要將兩條線絞在一起而不要讓它們自由地散開。這是常識，但很多工程師都沒有意識到。

有一次，一個工程師投訴說，用我們兩個相同型號的探頭測試同一個被測點，交換通道后幅值差別很大。后來查了半天，發(fā)現(xiàn)本質(zhì)原因不是交換通道，而是和兩個探頭的線的擺法有關(guān)。兩根線的位置不一樣測試的結(jié)果就不一樣。

所以，我們在看到一個現(xiàn)象的時候總要去反復(fù)做一些交叉實驗，對比測試后才能找出現(xiàn)象后面的原因，最終解決問題或得出結(jié)論。

傳導(dǎo)和輻射，我們在測試的時候總要考慮到這兩點對測試結(jié)果的影響。[page]4.探頭的共模抑制比和快恢復(fù)特性問題
我們關(guān)注的信號總是兩個信號相減的結(jié)果。對于單端信號，是被測點的電位和地相減；對差分信號，是兩個相對地的差分信號之減。我們希望示波器測試到的信號是探頭的減法效應(yīng)之后沒有引進對地的共模噪音。這在實際中是不可能的。因此，探頭的共模抑制比越大，測試出來的結(jié)果越準確。不同的探頭共模抑制比不一樣。單端探頭的共模抑制比很低，只有幾千分之一，而普通的高壓差分探頭，如力科的ADP305，Tek公司的P52XX等共模抑制比為一萬分之一。這在高壓測試中是不夠的。如在測試全橋或半橋電路的上半橋Vds電壓時，MOSFET關(guān)斷時的Vds電壓為400V以上，在MOSFET導(dǎo)通時的Vds電壓只有100mV，我們需要在示波器中清晰地看到100mV，這意味著示波器和探頭構(gòu)成的測試系統(tǒng)能夠從400V電壓中拾取100mV的小信號，這需要探頭具有10萬分之一的共模抑制比。例如力科的差分放大器DA1855A就能做到這樣高的共模抑制比。

此外，還有很重要的一點是，對于Vds電壓測試，由于從400V電壓跳變到100mV的電壓是瞬間的突變，如果探頭沒有很好的快過驅(qū)動恢復(fù)能力，會導(dǎo)致示波器過驅(qū)動，測試出來的結(jié)果也是不準確的。MOSFET導(dǎo)通時的100mV的電壓測試出來的結(jié)果可能為負的十幾伏。大家可以立即去確認下這一點：在50V/div的量程下看到導(dǎo)通時的波形是一條零線，但將量程調(diào)節(jié)到100mV/div的時候，就看到零線變成了負線，有的時候還會看到這負線不是恒定的，而是上下跳動著的。力科的差分放大器DA1855A就提供了很好的過驅(qū)動恢復(fù)能力，使得能準確測試出MOSFET在導(dǎo)通時的低電壓，從而測試出來的Vds電壓值才是最準確的。這就好比一個人騎著一輛自行車從60度的陡坡沖下來，如果這自行車沒有很好的剎車系統(tǒng)，它是無法停留在它本來應(yīng)停留的位置，總會沖得更遠。

圖五所示為差分放大器DA1855A的工作原理和外觀圖。

綜上所述，我們知道，測量是科學(xué)，也是一門藝術(shù)。既需要理論的指導(dǎo)，也需要實踐經(jīng)驗的總結(jié)。總結(jié)了經(jīng)驗之后，我們需要對測試規(guī)范做更細致的描述，對于有些測試指標應(yīng)重新審視一下是否合理，對于有些測試指標要詳細定義測試的環(huán)境和示波器的設(shè)置等。對于電源的Vds電壓，超過450伏就超標了，這個問題困擾了太多的工程師了。我們該如何重新定義這個指標？可能需要更加高端的儀器才能做到。