CN104345193B - 测试和测量仪器中的开关损耗测量和绘图 - Google Patents

Abstract

公开了一种测试和测量仪器中的开关损耗测量和绘图。公开技术涉及用于以图形方式显示开关设备的开关循环的方法和装置。针对被测试设备的多个开关循环，分别地经由电压探针和电流探针从被测试设备获取开关电压和开关电流。在电流对比电压图上将开关电流对比开关电压描绘为用于开关循环的每个的曲线。电流对比电压图上的曲线中的每个相互重叠并被显示给用户。

Description

测试和测量仪器中的开关损耗测量和绘图

技术领域

公开技术涉及与开关设备有关的信号的测量，并且具体地涉及通过使用诸如数字存储示波器（DSO）之类的测试和测量设备跨开关设备获取的信号的内电路测量。

背景技术

功率损耗是诸如开关电源之类的开关设备的总功率消耗中的相当大的部分，并且估计在35%至40%。功率损耗通过降低效率和可靠性且通过引起所需热沉尺寸的增加而对开关电源的性能具有负面影响。

为了知道确切的影响，测量并表征总开关损耗以及开关设备的特定开关循环期间的开关损耗是重要的。当前，只能确定用于所有开关循环的最大、最小和平均统计。遗憾的是，在市场中当前不存在测量特定开关循环期间的特定开关损耗的可用的测试工具。

从如下的互联网取回的2011年5月1日的文献“Evaluation and Measurement ”的9-1-9-13页公开了一种评估功率电子器件中使用的IGBT模块特性的方法：URL：

“http://www.fujielectric.com/products/semiconductor/model/igbt/application/box/doc/pdf/RH984b/REH984b_09a.pdf”。

从如下的互联网取回的2009年10月28日的文献“Mixed Signal OscilloscopesMSO4000 Series, DPO4000 Series Data Sheet”的1-20页公开了用于DPO4000系列混合信号示波器的数据表：URL：https://www.atecorp.com/ATECorp/media/pdfs/data-sheets/Tektronix-MSO4000_Series_Datasheet. pdf。

文献US2005/017707公开了用于识别和分析跨开关设备的高功率耗散峰值的方法和装置。

文献US2009/109226公开了一种用于仪器上的多个波形的显示的区域重叠控制的方法，包括允许由用户为波形中的每个选择显示屏上的垂直高度的重叠功能。

文献US2005/062461公开了测量总平均功率损耗并且隔离在开关设备（诸如可以在开关电源中使用的MOSFET、BJT和IGBT）处的诸如Ton损耗和Toff损耗之类的总平均损耗的不同功率损耗分量（component）的装置和方法。

发明内容

提供了一种以图形方式在测试和测量仪器上显示开关设备的开关循环的方法以及一种用于描绘电流对比电压图的测试和测量仪器。

公开技术的某些实施例包括一种在测试和测量设备上以图形方式显示开关设备的开关循环的方法。该方法包括针对被测试的设备的多个开关循环分别地经由电压探针和电流探针从被测试的设备获取开关电压和开关电流。然后在电流对比电压图300（图3）上对开关电流和开关电压进行绘图作为用于开关循环中每个的曲线。电流对比电压图300上的曲线中的每个相互重叠并在显示器上显示。

公开技术的某些其它实施例包括用于描绘电流对比电压图300的测试和测量仪器。在测试和测量仪器中提供了用于从被测试的设备获取开关电压的电压探针和用于从被测试设备获取开关电流的电流探针。测试和测量仪器还包括被结构化成从电压探针和电流探针接收开关电压和开关电流的获取单元、被结构化成在电流对比电压图300上描绘开关电流对比开关电压以作为用于开关循环中的每个的曲线的控制器，其中，曲线中的每个在电流对比电压图300上重叠、以及被结构化成显示电流对比电压图300的显示器。

附图说明

图1图示出示例性测试和测量仪器的高级框图。

图2图示出从被测试设备接收到的波形的示例。

图3图示出公开技术的某些实施例的理想化电流对比电压图。

图4图示出公开技术的某些实施例的理想化电流对比电压图。

图5图示出公开技术的某些实施例的理想化电流对比电压图。

图6图示出公开技术的某些实施例的理想化电流对比电压图。

图7图示出根据公开技术的其它实施例的具有电流对比电压图和功率波形的理想化显示。

图8图示出公开技术的描绘电流对比电压图的方法。

图9示出了图3的实时模拟。

图10示出了图5的实时模拟。

图11示出了图4的实时模拟。

图12通过使用时标（mask）示出了图4的实时模拟。

具体实施方式

在不一定按比例的图中，由相同的参考数字来表示公开系统和方法的相似或对应元件。

主题装置和方法用来以图形方式将诸如开关电源中的MOSFET、BJT和IGBT之类的开关设备的开（ON）和关（OFF）开关损耗表示为电流对比电压图300上的曲线，并计算用于特定开关循环的开关损耗。

就功率测量和分析软件工具（诸如由俄勒冈州比弗顿市的Tektronix公司生产的DPOPWR）来讨论本发明。示例性功率测量程序工具被安装并存储在数字化测试和测量设备的本地存储器中，诸如数字存储示波器（DSO），以将DSO变换成分析工具，该分析工具快速地测量并分析诸如开关电源的晶体管的电路中的实时开关损耗。实施公开技术的DSO可选地以可自定义格式生成详细测试报告。然而，本领域技术人员将认识到可在其它数字化测量设备中实施本文所讨论的教导。

图1描述了具有公开技术的分析工具的示例性测试和测量仪器的高级框图。

特别地，公开技术的测试和测量仪器100利用电压探针102和电流探针104，并且包括获取电路106、触发电路108、控制器110、处理电路112以及显示器114。电压探针102和电流探针104可以是适合于分别地检测来自被测试设备（DUT）116的模拟电压和电流信号的任何常规电压或电流探针。电压探针102和电流探针104的输出被发送到获取电路106。

获取电路106包括模数转换器（ADC）118。与ADC 118组合的获取电路106操作用于以采样速率将来自DUT 116的信号中的一个或多个数字化以供控制器110和/或处理电路112使用。获取电路106将所得到的样本流传达至控制器110。

控制器110操作用于处理由获取电路106提供的获取样本流以生成与样本流相关联的相应的波形数据。也就是说，给定期望的每格（division）时间和每格伏特显示参数，控制器110操作用于修改与所获取样本流相关联的原始数据或将其栅格化（rasterize），以产生具有期望每格时间和每格伏特参数的对应波形数据。控制器110还可将具有非期望每格时间、每格伏特以及每格电流参数的波形数据归一化（normalize）以产生具有期望参数的波形数据。控制器110向处理电路112提供波形数据以用于在显示器114上的后续呈现。

控制器110包括多个部件，其包括至少一个处理器120、支持电路122、输入/输出（I/O）电路124、存储器126以及用于提供控制器部件之间的通信的一个或多个通信总线T128。处理器120与支持电路122协作，支持电路122为诸如电源、时钟电路、缓存存储器等以及帮助执行存储在存储器126中的软件例程的电路。因此，设想可在硬件内实施在本文中作为软件过程所讨论的过程步骤中的一些，例如作为与处理器120协作以执行各种步骤的电路。控制器110还包含I/O电路124，其形成与控制器110通信的各种功能元件之间的接口。

例如，I/O电路124可包括键区、定点设备、触摸屏或适合于向控制器110提供用户输入和输出的其它装置。控制器110响应于此用户输入而使获取电路106的操作适合于执行除其它功能之外的各种数据获取、处理、显示通信。控制器110也响应于此用户输入而使触发电路108的操作适合于执行触发操作。另外，用户输入可用来触发自动校准功能和/或改写显示器114、逻辑分析或其它数据获取设备的其它操作参数。

除其它易失性存储器之外，存储器126可包括诸如SRAM、DRAM之类的易失性存储器。存储器126还可包括非易失性存储器设备，尤其是，诸如磁盘驱动器或磁带介质，或者可编程存储器，尤其是，诸如EPROM。存储器126存储测试和测量仪器100的操作系统128以及分析模块130。分析模块130用来以图形方式在显示器114上显示开关设备的开路径和开关设备的关路径的电流对比电压图300，如下面更全面地描述的。分析模块130还用来计算开路径或关路径的曲线的开关损耗。

虽然图1的控制器110被描述为被编程以执行根据公开技术的各种控制功能的通用计算机，但公开技术可用硬件来实施，诸如，例如专用集成电路（ASIC）。因此，意图在于将本文所述的处理器120宽泛地解释为等效地由硬件、软件或其组合执行。

本领域的技术人员将认识到的是根据需要还采用诸如缓冲电路、信号调节电路等标准信号处理部件（未示出）来使得实现本文所述的各种功能。例如，获取电路106以足够高的速率对来自DUT 116的信号进行采样以使得实现由控制器110和/或处理电路112进行的适当处理。

在某些实施例中，触发电路108向触发控制器（未示出）提供触发器启用信号。响应于当已经由信号接收到期望触发事件时的获取电路106内的电路进行的确定而断言（assert）触发器启用信号，所述期望触发事件诸如指示数据字的一部分的逻辑电平的特定序列等。期望触发事件可包括应用于信号的任何组合和或顺序逻辑函数以及由获取电路106接收到的测试。特定触发事件经由控制器110而被应用于触发电路108。

处理电路112包括适合于将所获取信号流或波形数据转换成适于提供视觉表象（例如视频帧存储器、显示格式化和驱动器电路等）的图像或视频信号的数据处理电路。处理电路112可包括显示器114和/或提供适合于被外部显示器114使用的输出信号。

处理电路112可选地对控制器110和各种参数进行响应，诸如垂直（例如，每格伏特）和水平（例如每格时间）显示参数以及用户接口图像（例如，用户提示、诊断信息等）。本领域的技术人员将认识到的是在利用获取电路106的数据获取系统的背景下，不需要在获取电路106中包括显示电路和显示器114。

此外，在获取电路106包括插在计算设备内的模块或卡或者使用底板布置的情况下，单一显示电路和显示器114可提供用于获取电路106的图像处理功能。

图2描述了用于DUT 116的电压波形202、电流波形204以及功率波形206。当DUT的晶体管接通且然后关断时，发生开关循环。这对应于电流波形随着电压波形如图2中所示变为低而变为高且然后电流波形随着电压波形变为高而变为低的时间。由于DUT 116被连接到测试和测量仪器100，将发生许多开关循环并被记录在存储器126中。

在分析模块130中使用电压波形202和电流波形204来计算晶体管和功率波形206的开和关区域的开始和停止。从到DUT 116的连接的电压探针102和电流探针104获取电压和电流波形。电压探针102和电流探针104被连接到测试和测量仪器，如上文所讨论的。

有时，还提供栅极驱动信号以将从DUT 116接收到的信号放大。

如图3中所示，在显示器114上的电流对比电压图300上以图形方式显示开路径302的电流和电压及关路径304的电流和电压。图3示出以图形方式显示单一开关循环期间的用于开关设备的开路径302和关路径304。开路径302示出功率开关供应的晶体管接通的时间。最初，如在图3中能够看到的，在开状态期间，电压是高的且电流是低的。随着晶体管被开启，电流随着电压变为低而变为高。关路径304示出了功率开关供应的晶体管被关断的时间。如在图3中能够看到的，最初，电流是高的且电压是低的。随着晶体管被断开，电流随着电压变高而变为低，与开路径302相反。

图4图示出将在显示器114上显示的用于多个开关循环的多个开关损耗图表。图4仅图示出稳态操作下的开关循环。图5图示出DUT 116被接通时的开关循环，如将在显示器114上显示的。

路径502和504描述DUT 116最初被接通的时间。路径506和508描述晶体管的最初开关循环中的电流和电压的增加。最后，路径302和304描述设备已进入稳态操作的时间。这允许用户看到在DUT 116最初被接通情况下的开关设备的响应。

具有分析模块130的测试和测量仪器100的用户能够查看在一时间段内的开关设备的性能（behavior），因为每个开关循环在电流对比电压图300上被呈递（render）和重叠，如例如图4中所示。此外，用户能够根据查看开路径和关路径的图表而确定开关瞬态306和二极管反向恢复电流或负电流区域308。

图3—6中所示的电流和电压图300经由I/O电路124与用户相交互。该图将允许用户将诸如图6中所示的光标-1 602之类的光标放置在电流对比电压图300上的标量值上。当选择标量值时，所得到的曲线将被图光标突出显示，即如图6中所示的光标-1 602和光标-2604。当被选择时，显示器114可挨着光标示出与由用户选择的点相关联的电流和电压，如在图6中看到的。分析模块130然后能够计算两个光标之间的开关损耗。相应地，用户能够将光标放置在图表的最坏情况部分上以理解在该点上正在发生什么。该设备然后在图表上显示哪些开关循环涉及到该点。

用户还能够使用测试和测量仪器100（未示出）上的“下一”和“前一”按钮而通过I/O电路124从一个开关循环跳至下一开关循环。这允许用户容易地查看相互接近的多种开关循环以确定在DUT 116上正在发生什么。

用户还可通过电路124来指定要在显示器114上查看的一个或多个特定开关循环。用户可以例如指定查看开关循环#500至开关循环#550。然后，只有那些特定开关循环在电流对比电压图300上移位。此外，用户可经由I/O电路124来选择仅查看开路径302或关路径304。作为响应，在显示器114上将仅显示所选类型的路径。

如图7中所示，显示器114可显示电流对比电压图300以及功率波形206两者。用户可以使用I/O电路124来选择此特征。

还可由用户或由控制器向触发电路108提供时标（mask）。如果违背了由用户或控制器设定的开关损耗极限中的任何一个，则可以由触发电路108来提供失败状态。当该值在开关损耗极限内时，将提供通过状态。

图8示出了用于以图形方式显示开关设备的开路径和关路径的方法。最初，在步骤802中，针对DUT 116的多个开关循环，分别地经由电压探针102和电流探针104从DUT 116获取开关电压和开关电流。在步骤804中，分析模块130将在电流对比电压图300上接收到的开关电流对比开关电压描绘为用于开关循环中的每个的曲线。然后，在步骤806中使电流对比电压图300上的曲线中的每个重叠。然后在步骤808中以所有曲线显示电流对比电压图300。如本领域普通技术人员将理解的，测试和测量仪器可以以图形方式实时地显示开路径和关路径。因此，每个开关循环，将新曲线重叠在电流对比电压图300上的现有曲线上。在步骤810中，分析模块130计算用于特定所选曲线的开关损耗。

已在公开技术的优选实施例中描述并图示出了其原理，但应显而易见的是在不脱离此原理的情况下可以在布置和细节方面修改公开技术。我们要求保护进入以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变更。

Claims (12)

1.一种以图形方式在测试和测量仪器（100）上显示开关设备的开关循环的方法，包括：

针对被测试设备（116）的多个开关循环，分别地经由电压探针（102）和电流探针（104）来从被测试设备（116）获取开关电压和开关电流；

在电流对比电压图（300）上将开关电流对比开关电压描绘为用于开关循环中的每个的曲线；

将曲线中的每个在电流对比电压图（300）上重叠；

用曲线显示电流对比电压图（300）；以及

基于应用于电流对比电压图（300）的时标而指示开关设备的通过或失败状态。

2.如权利要求1所述的方法，包括：

从用户接收曲线上的点的选择；以及

在电流对比电压图（300）上突出显示与该点相关联的特定曲线。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，使用开关电流对比开关电压对开关设备的开路径进行绘图，并且使用开关电流对比开关电压对开关设备的关路径进行绘图。

4.如权利要求2所述的方法，包括计算特定曲线的开关损耗值。

5.如权利要求1、2和4中的任一项所述的方法，包括：

在显示器（114）的第一窗口中显示电流对比电压图（300）；以及

在显示器（114）的第二窗口中显示由开关电压和开关电流生成的功率波形。

6.如权利要求1、2和4中的任一项所述的方法，包括：

接收输入以仅显示多个开关循环的一部分；以及

响应于该输入而仅显示所述多个开关循环的该部分。

7.一种用于描绘电流对比电压图的测试和测量仪器（100），包括：

获取单元，被结构化成分别从被测试设备（116）、从电压探针（102）和电流探针（104）接收开关电压和开关电流；

控制器（120），被结构化成在电流对比电压图（300）上将开关电流对比开关电压描绘为用于多个开关循环中的每个的曲线，其中，曲线中的每个在电流对比电压图（300）上重叠；以及

显示器（114），被结构化成显示电流对比电压图（300），

其中所述控制器（120）被结构化成基于应用于电流对比电压图的时标而指示开关设备的通过或失败状态。

8.如权利要求7所述的测试和测量仪器（100），包括被结构化成从用户接收曲线上的点的选择的输入设备（124），其中，与电流对比电压图（300）上的点相关联的特定曲线被突出显示。

9.如权利要求7或8所述的测试和测量仪器（100），其中，所述控制器（120）被结构化成在显示器（114）的第一窗口中显示电流对比电压图（300），并在显示器（114）的第二窗口中显示由开关电压和开关电流生成的功率波形（206）。

10.如权利要求7或8所述的测试和测量仪器（100），其中，所述控制器（120）被结构化成计算特定曲线的开关损耗值。

11.如权利要求7或8所述的测试和测量仪器（100），其中，使用开关电流对比开关电压对开关设备的开路径进行绘图，并且使用开关电流对比开关电压对开关设备的关路径进行绘图。

12.如权利要求7或8所述的测试和测量仪器（100），其中，所述控制器（120）被结构化成响应于用户输入而仅显示所述多个开关循环的一部分。