高共模抑制比隔離探頭OP6030測試方案

差分探頭測量半橋上管MOSFET驅(qū)動(dòng)波形失真的真實(shí)原因——高頻段CMRR不夠!

        在開關(guān)電源和逆變器等電力電子設(shè)備的開發(fā)中，差分探頭可以很好地用來測量MOSFET、IGBT的各種電壓波形，如VDS/VGS。但工程師在測試半橋的上管的驅(qū)動(dòng)波形時(shí)經(jīng)常遇到困惑，反映如下的問題：
1：MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形和理想的驅(qū)動(dòng)波形差距太大
2：不同廠家的差分探頭測量驅(qū)動(dòng)信號(hào)千差萬別
3：即使同樣型號(hào)的差分探頭測出的波形也會(huì)有所不同

       圖1是你以為的MOSFET驅(qū)動(dòng)波形

圖1

       圖2你實(shí)際測到的驅(qū)動(dòng)波形
 

圖2

         這是為何？
         這是因?yàn)槠胀ǖ牟罘痔筋^的共模抑制比并不很理想。這個(gè)問題是很多初學(xué)開關(guān)電源的工程師所不熟悉的。CMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)是指差分探頭在差分測量中抑制兩個(gè)測試點(diǎn)共模信號(hào)的能力。這是差分探頭的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其公式為：CMRR=|Ad/Ac|。其中：Ad=差分信號(hào)的電壓增益。Ac = 共模信號(hào)的電壓增益。在理想情況下，Ad應(yīng)該很大，而Ac則應(yīng)該等于0，因此CMRR無窮大。

        其次我們再解釋一下差分探頭是如何測量如下圖3所示的半橋電路的上管驅(qū)動(dòng)波形的。對于我們使用的差分探頭來講，差分探頭接收到的不僅有我們想觀測的驅(qū)動(dòng)波形（我們稱之為差模信號(hào)），而且還要承受半橋中點(diǎn)的浮動(dòng)的共模電壓，這是一個(gè)高達(dá)400Vpp的高頻開關(guān)波形，含有大量的高頻諧波分量。如果用頻譜儀觀測，這個(gè)高頻分量往往高達(dá)數(shù)十兆赫茲。

圖3 半橋電路

        所以差分探頭輸出到示波器的信號(hào)包含了差模信號(hào)和共模信號(hào)的疊加，也就是說工程師在示波器上觀測到的波形包含了你不想要的可以讓驅(qū)動(dòng)波形失真的共模信號(hào)！
         假設(shè)中點(diǎn)對示波器地的某高頻共模信號(hào)是200Vpp,該頻率的CMRR是40dB（=100倍衰減），那么我們在示波器上的看到干擾信號(hào)是200Vpp/100=2Vpp。這個(gè)干擾信號(hào)對于我們觀測只有10-20Vpp的MOSFET驅(qū)動(dòng)波形來講已經(jīng)很大了，足夠影響測試波形了。
         下圖4是普通差分探頭和高CMRR隔離探頭OP6030的CMRR參數(shù)對比。可以發(fā)現(xiàn)OP6030的CMRR參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用的差分探頭。

圖4：差分探頭和隔離探頭的參數(shù)對比

         我們可以發(fā)現(xiàn)普通的差分探頭在低頻段的CMRR還可以接受，而在高頻段的CMRR就比較差了。其實(shí)很多低端的差分探頭的CMRR比這個(gè)更差，*不能用在開關(guān)電源的測試場合。

         另外差分探頭的電路中包含有可調(diào)電容，可調(diào)電阻等，探頭在出廠一段時(shí)間后，如一年以上，里面的可調(diào)電容可調(diào)電阻會(huì)發(fā)生偏移，造成探頭CMRR變差，會(huì)進(jìn)一步加劇測試波形的失真。
         OP6030采用了*的射頻隔離技術(shù)，不但CMRR很大，而且可以不會(huì)隨著時(shí)間的推移劣化，是測量MOSFET驅(qū)動(dòng)的有力武器！

● LLC諧振半橋上管驅(qū)動(dòng)波形測試案例
被測電路：LLC諧振半橋
測量設(shè)備：CH1通道 差分探頭DP6150(1500V/70MHz)
                 CH2通道 隔離探頭 OP6030（30V/50MHz）

示波器   ：LECROY waverunner 8054(500MHz)

         ? 測量探頭的共模指標(biāo)
         驗(yàn)證探頭的共模指標(biāo)，可以把探頭的輸入短接，同時(shí)夾到電源上下橋電路的中點(diǎn)，如下圖5所示：

圖5：DP6150紅黑探夾短路，OP6030的SSMB接頭短路，同時(shí)接到上下橋的中點(diǎn)位置

圖6：驗(yàn)證探頭共模指標(biāo)平臺(tái)

       觀察示波器的輸出，由于探頭的輸入端短路，所以輸出應(yīng)該為0，但是被測電路具有很高的共模電壓，該LLC諧振半橋電路中點(diǎn)位置約有400V方波波形變化，如果探頭的共模抑制比不高，會(huì)有一定的輸出信號(hào)，輸出越大，共模指標(biāo)CMRR越差，該共模電壓信號(hào)會(huì)疊加到實(shí)際的被測驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，造成測量誤差，共模信號(hào)輸出如下圖所示：

圖7：共模信號(hào)輸出對比

       通過對比發(fā)現(xiàn)，差分探頭有接近2.68Vppk的輸出，而OP6030看不出任何共模信號(hào)輸出，只有本底噪聲信號(hào)，可以看出隔離探頭OP6030共模指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通差分探頭。

         ? 驅(qū)動(dòng)波形對比測量
         以下通過實(shí)測驅(qū)動(dòng)波形，說明探頭的CMRR指標(biāo)對驅(qū)動(dòng)波形的影響

圖8：測量驅(qū)動(dòng)波形接頭連接示意圖

圖9：驅(qū)動(dòng)波形測量平臺(tái)

圖10：驅(qū)動(dòng)波形輸出

圖11 共模信號(hào)對實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形的影響

       通過以上的圖形分析：差分探頭的共模信號(hào)的輸出，相應(yīng)位置會(huì)對驅(qū)動(dòng)信號(hào)造成波形畸變失真，圖11中，1號(hào)位置對2號(hào)位置的波形，3號(hào)位置對4號(hào)位置的波形都造成了驅(qū)動(dòng)波形的失真，而OP6030具有非常高的共模CMRR指標(biāo)，能夠還原實(shí)際的驅(qū)動(dòng)波形。
       差分探頭在使用一段時(shí)間后，可調(diào)電容電阻的偏移，會(huì)造成共模CMRR指標(biāo)的進(jìn)一步惡化，如果沒有經(jīng)過廠家的校準(zhǔn)，測量的驅(qū)動(dòng)波形畸變越來越大，給工程師帶來很大困擾，如下圖所示：

圖12 共模指標(biāo)的惡化會(huì)進(jìn)一步造成驅(qū)動(dòng)波形的畸變
 

結(jié)論
        OP6030是采用射頻隔離技術(shù)的產(chǎn)品，是一款真正意義的高CMRR隔離電壓探頭。其在整個(gè)工作帶寬（50MHz）內(nèi)具有超高的共模抑制比，而且不隨時(shí)間的推移而出現(xiàn)變化，*解決高共模情況下的驅(qū)動(dòng)波形測量問題，是電源工程師*的一把利器！