1 電源測(cè)量中帶寬的選擇
示波器帶寬有四個(gè)相關(guān)名詞：模擬帶寬、數(shù)字帶寬，系統(tǒng)帶寬和觸發(fā)帶寬。數(shù)字帶寬等于采樣率的一半，實(shí)用意義不大。觸發(fā)帶寬是示波器廠商“硬”造出來的一個(gè)概念，是指示波器觸發(fā)電路可以正常工作的最大輸入正弦信號(hào)的頻率。對(duì)于高端示波器，觸發(fā)電路在輸入信號(hào)頻率超過一定大小就不能工作了! 系統(tǒng)帶寬是指示波器前端放大器和探頭、測(cè)試夾具等組成的測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。一般不特別說明，帶寬即是指示波器的模擬帶寬,也就是示波器前端放大器的幅頻特性曲線的截止頻率點(diǎn)。示波器的放大器是低通濾波器，其幅頻特性曲線如圖1所示，帶寬就是輸入電壓幅值降低到輸入 -3db(70.7%)時(shí)的截止頻率點(diǎn)。
帶寬選擇的理論依據(jù)，用一句話來概括就是帶要能覆蓋被測(cè)信號(hào)能量的99%以上。我們知道，任何信號(hào)都可以分解為無數(shù)次諧波的疊加，但是被測(cè)信號(hào)分解到多少次諧波之后能量會(huì)衰減到只剩下1%呢？ 這個(gè)答案不直觀，因此帶寬的選擇是示波器行業(yè)的銷售人員幾乎每天都會(huì)遇到的問題。這個(gè)問題有時(shí)侯很嚴(yán)肅，有時(shí)侯很滑稽。其實(shí)，帶寬的選擇是一個(gè)相對(duì)的結(jié)果，它取決于被測(cè)信號(hào)的類型和測(cè)量的準(zhǔn)確度。最關(guān)鍵的因素是上升時(shí)間。上升時(shí)間越小，上升沿越陡，被測(cè)信號(hào)的高次諧波含量越豐富，需要的帶寬越大。這里面就需要一些數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)來確定具體上升時(shí)間和信號(hào)能量之間的量化關(guān)系。業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的兩個(gè)帶寬選擇的原則是：
•當(dāng)被測(cè)信號(hào)是串行數(shù)據(jù)時(shí)，串行數(shù)據(jù)的上升時(shí)間如果大于20% ui（一個(gè)比特位的時(shí)間長(zhǎng)度），那么示波器帶寬只要達(dá)到被測(cè)信號(hào)比特率的1.8倍就能覆蓋信號(hào)能量的99.9%。 如果上升時(shí)間大于30% ui,只要1.2倍信號(hào)的比特率就足夠了?，F(xiàn)實(shí)電路中，串行數(shù)據(jù)的上升時(shí)間絕大多數(shù)在接收端時(shí)都大于30%了。因此，對(duì)于3gbps的sata信號(hào)，在經(jīng)過夾具之后用4ghz示波器就可以。 大家可以用4ghz、6ghz、13ghz測(cè)試后比較一下看看。
•電源不是串行信號(hào)，上面的規(guī)則并不適用。 在很久很久以前，業(yè)內(nèi)一就直流傳的帶寬選擇依據(jù)是“3到5倍”法則，即帶寬是被測(cè)信號(hào)頻率的“3到5倍”。其實(shí)這里面沒有強(qiáng)調(diào)上升時(shí)間，這個(gè)法則不夠具有普適性。si之父howard johnson以其個(gè)人權(quán)威給出一個(gè)從示波器上升時(shí)間來選擇帶寬的原則，但他沒有給出詳細(xì)的推導(dǎo)。
howard認(rèn)為，當(dāng)示波器上升時(shí)間小于被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間的1/3時(shí)，測(cè)量結(jié)果的誤差小于5%。示波器上升時(shí)間約等于0.35/示波器帶寬。 這里面0.35是基于理想的低通濾波器模型rc電路推導(dǎo)的，實(shí)際可能是0.45,0.5不等。因此，我們可以根據(jù)信號(hào)的上升時(shí)間推導(dǎo)出需要的示波器上升時(shí)間，再根據(jù)示波器手冊(cè)或0.35的關(guān)系式選擇示波器帶寬。
關(guān)于帶寬的選擇，業(yè)內(nèi)充斥著不專業(yè)，不負(fù)責(zé)任的言論。這是值得警惕的。
讓我們回到問題本身,關(guān)于開關(guān)電源的帶寬選擇,要看具體測(cè)量需求。開關(guān)電源需要測(cè)量的信號(hào)可能包括：
•測(cè)量開關(guān)管（主流是mosfet）的帶寬選擇
電源調(diào)試中，要反復(fù)測(cè)量開關(guān)管的漏源極電源vds，驅(qū)動(dòng)電壓vgs，漏源極電流ids等，以確定上下開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間以防止開關(guān)管“直通”導(dǎo)致電源炸機(jī)，要測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，該波形的上升沿緩慢，開關(guān)管損耗會(huì)更大，上升沿陡，開關(guān)管損耗會(huì)更小，但漏源極過沖會(huì)更大。 最重要的測(cè)量是確保vds的電壓峰峰值在各種動(dòng)態(tài)條件下不會(huì)超個(gè)開關(guān)管vds的最大限值。這些動(dòng)態(tài)條件包括負(fù)載從空載到滿載，滿載到空載的跳變; 負(fù)載在50%-75%-50%,25%-50%-25%之間的來回連續(xù)的跳變，以及開機(jī)軟啟動(dòng)過程vds的峰值電壓。這些動(dòng)態(tài)條件下準(zhǔn)確測(cè)量vds的影響因素眾多，在此不一一細(xì)述。 這個(gè)測(cè)試項(xiàng)目在電源工程師心中的重要性我深以為然。這個(gè)值測(cè)量不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管容易被損壞，或者是開關(guān)管的耐壓值超過實(shí)際需要，影響到成本。開關(guān)管vds額定值越大，價(jià)格越貴。 因此，很多電源工程師糾結(jié)在這里。
開關(guān)管的上升時(shí)間取決于開關(guān)管具體型號(hào)。 一般功率小的電源開關(guān)頻率可以達(dá)到1mhz甚至更大，對(duì)應(yīng)的開關(guān)管的上升時(shí)間越小。功率大的電源開關(guān)管開關(guān)頻率小，只有100khz甚至更小，上升時(shí)間大。但是多數(shù)開關(guān)管上升時(shí)間達(dá)到了100ns。即使開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns，1/3的上升時(shí)間也有10ns,而100mhz的示波器的上升時(shí)間只有3.5ns。因此，用100mhz帶寬示波器測(cè)量開關(guān)電源的開關(guān)管是足夠的。其實(shí)，很少有開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns的，限制帶寬到20mhz就足夠了。但這點(diǎn)曾經(jīng)受到有些電源工程師的質(zhì)疑，他認(rèn)為對(duì)于vds的高壓信號(hào)，要看尖封毛刺局部的上升時(shí)間，研究其包含的能量。
這里要特別說明的是，測(cè)量開關(guān)管特別是半橋或全橋電路的上半橋，因?yàn)槭遣粚?duì)地的懸浮高壓，一般要用高壓差分探頭測(cè)量。目前高壓差分探和電流探頭90%以上都是第三方oem的，最大帶寬只有100mhz。雖然標(biāo)稱帶寬是100mhz，但往往不是和示波器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)的，因此，和100mhz示波器組成的系統(tǒng)帶寬只有70mhz。但如果用200mhz示波器，和100mhz的探頭組成的系統(tǒng)帶寬則可以達(dá)到100mhz，如果您認(rèn)為vds的尖峰毛刺的信號(hào)能量是必須用100mhz測(cè)量的話。
•測(cè)量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的帶寬選擇
有些復(fù)雜的電源系統(tǒng)，有很多電源模塊組成，需要使用dsp或者power pc來作為控制核心。有一些外設(shè)存儲(chǔ)單元，鍵盤監(jiān)控單元等。這將涉及到時(shí)鐘信號(hào)，can控制信號(hào)，i2c，spi等信號(hào)的測(cè)量。這些信號(hào)的速率除時(shí)鐘頻率外都不高。如果為了測(cè)量dsp時(shí)鐘信號(hào)，最好要選擇500mhz帶寬甚至1ghz,但電源工程師很少對(duì)這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行認(rèn)真地測(cè)量。 其它信號(hào)帶寬都只要20mhz就可以了。
•測(cè)量電源紋波和電源噪聲的帶寬選擇
電源紋波和電源噪聲在國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了一種約定俗成的理解。電源紋波理解為電源模塊本身輸出電壓的波動(dòng),和電路板上復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)無關(guān)?；蛘哒f，電源輸出的源端（source端)的電壓的波動(dòng); 電源噪聲則是指電源模塊工作在實(shí)際電路系統(tǒng)中，經(jīng)過供電分布網(wǎng)絡(luò)（pdn）將電源能量輸送到芯片管腳處，在芯片管腳處的電壓的波動(dòng)，或者說是電源輸出末端(sink端)電壓的波動(dòng)。簡(jiǎn)言之，電壓的波動(dòng)在源端叫紋波（ripple)，在末端叫噪聲（noise)。
電源紋波包括的信號(hào)頻率成分主要是工頻100hz和開關(guān)頻率，一般是將帶寬限制到20mhz。有人問我，為什么是20mhz而不是10mhz,5mhz？這確是有趣的好問題！
電源噪聲的測(cè)量，我建議的帶寬是500mhz。這方面有個(gè)很多討論和爭(zhēng)論。此文不再細(xì)述。
•測(cè)量電源產(chǎn)品的快速瞬變脈沖放電的帶寬選擇
我曾遇到一些客戶要買示波器只是為了測(cè)量emi快速瞬變脈沖放電過程。很遺憾的是，一直沒找到機(jī)會(huì)親自和這些客戶一起測(cè)量這類信號(hào)。測(cè)量具體方法是將高壓信號(hào)通過專用的“分壓器”元件分壓后通過bnc同軸線連接到示波器。示波器選擇的帶寬1ghz以上，最好是2ghz，采樣率一定要10gs/s。 其實(shí)，這里 面“分壓器”的帶寬影響到系統(tǒng)帶寬，因?yàn)樗菧y(cè)量系統(tǒng)的一部分。
2 電源測(cè)量中采樣率的選擇
采樣率的概念極好理解，表示每秒采樣多少個(gè)點(diǎn)。例如采樣率為10gs/s即表示每秒采樣10g個(gè)點(diǎn)?！皊”在這里理解為samples的意思，有些文檔中將采樣率寫為10gsa/s。 采樣率的倒數(shù)就是采樣周期，表示每隔多長(zhǎng)時(shí)間采樣一個(gè)點(diǎn)，如10gs/s采樣率就表示每隔100ps采樣一個(gè)點(diǎn)。
有個(gè)著名奈奎斯特采樣定理告訴我們：當(dāng)采樣率是被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍以上的時(shí)候才能保證不失真的重構(gòu)信號(hào)。但是，被測(cè)信號(hào)的最高頻率對(duì)于非正弦信號(hào)也并不直觀。即使對(duì)于正弦信號(hào)，對(duì)于示波器的應(yīng)用，一個(gè)周期采樣兩個(gè)點(diǎn)，也并不能非常完好地重構(gòu)原始信號(hào)。 這么多年來，我推薦的判斷采樣率是否足夠的方法是：確保感興趣的信號(hào)上升沿采樣3-5個(gè)點(diǎn)。最好是5個(gè)點(diǎn)，在示波器條件限制時(shí)采樣3個(gè)點(diǎn)，誤差也不大。感興趣的上升沿采樣5個(gè)點(diǎn)和10個(gè)的點(diǎn)測(cè)量結(jié)果幾乎完全一致。根據(jù)此結(jié)論，回到我們對(duì)電源測(cè)量中采樣率的選擇問題：
•測(cè)量開關(guān)管的采樣率選擇
測(cè)量電源開關(guān)管的采樣率建議是250ms/s以上，因?yàn)殚_關(guān)管的上升沿的尖峰毛刺部分如果能準(zhǔn)確地重構(gòu)，需要4ns采樣一個(gè)點(diǎn)。甚至對(duì)于有些開關(guān)管，250ms/s都不是很充分。 實(shí)際測(cè)量中大家可以將vds波形上升沿局部放大，查看尖峰毛刺上是否采樣到5個(gè)點(diǎn)。250ms/s這個(gè)數(shù)據(jù)是我從一個(gè)電源工程師改行做示波器銷售工程師之后回到老東家親自測(cè)量確認(rèn)的一個(gè)數(shù)據(jù)，10年過去了，我至今印象深刻。有趣的是，在我當(dāng)年工作的高富帥公司，有很多技術(shù)牛人，內(nèi)部有很多測(cè)量規(guī)范文檔，但似乎也沒人去在意該怎么確定示波器的采樣率，只是老板常告訴我按auto setup之后將波形展開后才能測(cè)量出真正的vds峰值。
我當(dāng)時(shí)核實(shí)測(cè)量的是mosfet irf460。但50ms/s能滿足大多數(shù)開關(guān)管的準(zhǔn)確測(cè)量。
注意：
（1）有些示波器默認(rèn)插值方式是正弦插值（sinx/x插值），就是在真實(shí)的采樣點(diǎn)的中間會(huì)根據(jù)sinx/x算法插入若干個(gè)“計(jì)算得到的假點(diǎn)”。這樣放大波形的局部，您看到上升沿還是有很多計(jì)算得到的假點(diǎn)，會(huì)被誤認(rèn)為采樣率足夠，帶來錯(cuò)誤的判斷和錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。
（2）還有些示波器不能固定采樣率，只能固定存儲(chǔ)深度，但是因?yàn)椴蓸勇?采樣時(shí)間=存儲(chǔ)深度，隨著時(shí)間的增加，采樣率不斷地降低，而當(dāng)您將時(shí)間減少時(shí)，采樣率又自動(dòng)增加了，展開波形時(shí)看到的尖峰毛刺上仍然有足夠多的點(diǎn)。
•測(cè)量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的采樣率選擇
這部分的信號(hào)頻率最高的是dsp的時(shí)鐘，建議用5gs/s以上采樣率。
•測(cè)量電源紋波和電源噪聲的采樣率選擇
測(cè)量電源紋波的采樣率的選擇和測(cè)量開關(guān)管一樣，建議為250ms/s以上，因?yàn)殡娫醇y波中包含了開關(guān)頻率成分。但對(duì)于電源噪聲，因?yàn)槠渲邪藖碜杂诟咚傩酒ㄟ^電源和地平面?zhèn)鬏數(shù)脑肼?，呈現(xiàn)200mhz左右的高頻成分，建議的采樣率為5gs/s以上才是足夠的。
•測(cè)量電源產(chǎn)品的快速瞬變脈沖放電的采樣率選擇
這類快速脈沖信號(hào)的尖峰毛刺的上升沿很快，建議采樣率為10gs/s。
采樣率太低，測(cè)量的結(jié)果將嚴(yán)重失真。譬如本來vds的峰峰值，本來峰峰值應(yīng)該是450v,但因?yàn)椴蓸硬粔?，用線性插值測(cè)量的結(jié)果可能只有350v，用正弦插值測(cè)量的結(jié)果則可能為500v。要“時(shí)刻警惕采樣率”，這是高保真捕獲的重要原則之一。