高共模抑制比隔離探頭OP6030測(cè)試方案

差分探頭測(cè)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(lái)測(cè)量MOSFET、IGBT的各種電壓波形，如VDS/VGS。但工程師在測(cè)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(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)千差萬(wàn)別
3：即使同樣型號(hào)的差分探頭測(cè)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(cè)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(cè)量中抑制兩個(gè)測(cè)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(wú)窮大。

        其次我們?cè)俳忉屢幌虏罘痔筋^是如何測(cè)量如下圖3所示的半橋電路的上管驅(qū)動(dòng)波形的。對(duì)于我們使用的差分探頭來(lái)講，差分探頭接收到的不僅有我們想觀測(cè)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(cè)，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(shuō)工程師在示波器上觀測(cè)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(duì)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?cè)谑静ㄆ魃系目吹礁蓴_信號(hào)是200Vpp/100=2Vpp。這個(gè)干擾信號(hào)對(duì)于我們觀測(cè)只有10-20Vpp的MOSFET驅(qū)動(dòng)波形來(lái)講已經(jīng)很大了，足夠影響測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)試案例
被測(cè)電路：LLC諧振半橋
測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，造成測(cè)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(duì)比

       通過(guò)對(duì)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(duì)比測(cè)量
         以下通過(guò)實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)波形，說(shuō)明探頭的CMRR指標(biāo)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響

圖8：測(cè)量驅(qū)動(dòng)波形接頭連接示意圖

圖9：驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量平臺(tái)

圖10：驅(qū)動(dòng)波形輸出

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

       通過(guò)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(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)造成波形畸變失真，圖11中，1號(hào)位置對(duì)2號(hào)位置的波形，3號(hào)位置對(duì)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(guò)廠家的校準(zhǔn)，測(cè)量的驅(qū)動(dòng)波形畸變?cè)絹?lái)越大，給工程師帶來(lái)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(cè)量問題，是電源工程師*的一把利器！