1 電源測量中帶寬的選擇
示波器帶寬有四個相關(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，實用意義不大。觸發(fā)帶寬是示波器廠商“硬”造出來的一個概念，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的頻率。對于高端示波器，觸發(fā)電路在輸入信號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、測試夾具等組成的測量系統(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。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%)時的截止頻率點。
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信號能量的99%以上。我們知道，任何信號都可以分解為無數(shù)次諧波的疊加，但是被測信號分解到多少次諧波之后能量會衰減到只剩下1%呢？ 這個答案不直觀，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遇到的問題。這個問題有時侯很嚴肅，有時侯很滑稽。其實，帶寬的選擇是一個相對的結(jié)果，它取決于被測信號的類型和測量的準確度。最關(guān)鍵的因素是上升時間。上升時間越小，上升沿越陡，被測信號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)來確定具體上升時間和信號能量之間的量化關(guān)系。業(yè)內(nèi)比較認可的兩個帶寬選擇的原則是：
•當(dāng)被測信號是串行數(shù)據(jù)時，串行數(shù)據(jù)的上升時間如果大于20% ui（一個比特位的時間長度），那么示波器帶寬只要達到被測信號比特率的1.8倍就能覆蓋信號能量的99.9%。 如果上升時間大于30% ui,只要1.2倍信號的比特率就足夠了?，F(xiàn)實電路中，串行數(shù)據(jù)的上升時間絕大多數(shù)在接收端時都大于30%了。因此，對于3gbps的sata信號，在經(jīng)過夾具之后用4ghz示波器就可以。 大家可以用4ghz、6ghz、13ghz測試后比較一下看看。
•電源不是串行信號，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，即帶寬是被測信號頻率的“3到5倍”。其實這里面沒有強調(diào)上升時間，這個法則不夠具有普適性。si之父howard johnson以其個人權(quán)威給出一個從示波器上升時間來選擇帶寬的原則，但他沒有給出詳細的推導(dǎo)。
howard認為，當(dāng)示波器上升時間小于被測信號上升時間的1/3時，測量結(jié)果的誤差小于5%。示波器上升時間約等于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，實際可能是0.45,0.5不等。因此，我們可以根據(jù)信號的上升時間推導(dǎo)出需要的示波器上升時間，再根據(jù)示波器手冊或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,要看具體測量需求。開關(guān)電源需要測量的信號可能包括：
•測量開關(guān)管（主流是mosfet）的帶寬選擇
電源調(diào)試中，要反復(fù)測量開關(guān)管的漏源極電源vds，驅(qū)動電壓vgs，漏源極電流ids等，以確定上下開關(guān)管的死區(qū)時間以防止開關(guān)管“直通”導(dǎo)致電源炸機，要測量驅(qū)動信號波形，該波形的上升沿緩慢，開關(guān)管損耗會更大，上升沿陡，開關(guān)管損耗會更小，但漏源極過沖會更大。 最重要的測量是確保vds的電壓峰峰值在各種動態(tài)條件下不會超個開關(guān)管vds的最大限值。這些動態(tài)條件包括負載從空載到滿載，滿載到空載的跳變; 負載在50%-75%-50%,25%-50%-25%之間的來回連續(xù)的跳變，以及開機軟啟動過程vds的峰值電壓。這些動態(tài)條件下準確測量vds的影響因素眾多，在此不一一細述。 這個測試項目在電源工程師心中的重要性我深以為然。這個值測量不準確，可能會導(dǎo)致開關(guān)管容易被損壞，或者是開關(guān)管的耐壓值超過實際需要，影響到成本。開關(guān)管vds額定值越大，價格越貴。 因此，很多電源工程師糾結(jié)在這里。
開關(guān)管的上升時間取決于開關(guān)管具體型號。 一般功率小的電源開關(guān)頻率可以達到1mhz甚至更大，對應(yīng)的開關(guān)管的上升時間越小。功率大的電源開關(guān)管開關(guān)頻率小，只有100khz甚至更小，上升時間大。但是多數(shù)開關(guān)管上升時間達到了100ns。即使開關(guān)管上升時間只有30ns，1/3的上升時間也有10ns,而100mhz的示波器的上升時間只有3.5ns。因此，用100mhz帶寬示波器測量開關(guān)電源的開關(guān)管是足夠的。其實，很少有開關(guān)管上升時間只有30ns的，限制帶寬到20mhz就足夠了。但這點曾經(jīng)受到有些電源工程師的質(zhì)疑，他認為對于vds的高壓信號，要看尖封毛刺局部的上升時間，研究其包含的能量。
這里要特別說明的是，測量開關(guān)管特別是半橋或全橋電路的上半橋，因為是不對地的懸浮高壓，一般要用高壓差分探頭測量。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行一體化設(shè)計、校準的，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)帶寬則可以達到100mhz，如果您認為vds的尖峰毛刺的信號能量是必須用100mhz測量的話。
•測量電源系統(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)存儲單元，鍵盤監(jiān)控單元等。這將涉及到時鐘信號，can控制信號，i2c，spi等信號的測量。這些信號的速率除時鐘頻率外都不高。如果為了測量dsp時鐘信號，最好要選擇500mhz帶寬甚至1ghz,但電源工程師很少對這個時鐘信號進行認真地測量。 其它信號帶寬都只要20mhz就可以了。
•測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,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; 電源噪聲則是指電源模塊工作在實際電路系統(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，或者說是電源輸出末端(sink端)電壓的波動。簡言之，電壓的波動在源端叫紋波（ripple)，在末端叫噪聲（noise)。
電源紋波包括的信號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！
電源噪聲的測量，我建議的帶寬是500mhz。這方面有個很多討論和爭論。此文不再細述。
•測量電源產(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量emi快速瞬變脈沖放電過程。很遺憾的是，一直沒找到機會親自和這些客戶一起測量這類信號。測量具體方法是將高壓信號通過專用的“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，這里 面“分壓器”的帶寬影響到系統(tǒng)帶寬，因為它是測量系統(tǒng)的一部分。
2 電源測量中采樣率的選擇
采樣率的概念極好理解，表示每秒采樣多少個點。例如采樣率為10gs/s即表示每秒采樣10g個點。“s”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，表示每隔多長時間采樣一個點，如10gs/s采樣率就表示每隔100ps采樣一個點。
有個著名奈奎斯特采樣定理告訴我們：當(dāng)采樣率是被測信號最高頻率的兩倍以上的時候才能保證不失真的重構(gòu)信號。但是，被測信號的最高頻率對于非正弦信號也并不直觀。即使對于正弦信號，對于示波器的應(yīng)用，一個周期采樣兩個點，也并不能非常完好地重構(gòu)原始信號。 這么多年來，我推薦的判斷采樣率是否足夠的方法是：確保感興趣的信號上升沿采樣3-5個點。最好是5個點，在示波器條件限制時采樣3個點，誤差也不大。感興趣的上升沿采樣5個點和10個的點測量結(jié)果幾乎完全一致。根據(jù)此結(jié)論，回到我們對電源測量中采樣率的選擇問題：
•測量開關(guān)管的采樣率選擇
測量電源開關(guān)管的采樣率建議是250ms/s以上，因為開關(guān)管的上升沿的尖峰毛刺部分如果能準確地重構(gòu)，需要4ns采樣一個點。甚至對于有些開關(guān)管，250ms/s都不是很充分。 實際測量中大家可以將vds波形上升沿局部放大，查看尖峰毛刺上是否采樣到5個點。250ms/s這個數(shù)據(jù)是我從一個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量確認的一個數(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量出真正的vds峰值。
我當(dāng)時核實測量的是mosfet irf460。但50ms/s能滿足大多數(shù)開關(guān)管的準確測量。
注意：
（1）有些示波器默認插值方式是正弦插值（sinx/x插值），就是在真實的采樣點的中間會根據(jù)sinx/x算法插入若干個“計算得到的假點”。這樣放大波形的局部，您看到上升沿還是有很多計算得到的假點，會被誤認為采樣率足夠，帶來錯誤的判斷和錯誤的測量結(jié)果。
（2）還有些示波器不能固定采樣率，只能固定存儲深度，但是因為采樣率*采樣時間=存儲深度，隨著時間的增加，采樣率不斷地降低，而當(dāng)您將時間減少時，采樣率又自動增加了，展開波形時看到的尖峰毛刺上仍然有足夠多的點。
•測量電源系統(tǒng)的監(jiān)控部分電路的采樣率選擇
這部分的信號頻率最高的是dsp的時鐘，建議用5gs/s以上采樣率。
•測量電源紋波和電源噪聲的采樣率選擇
測量電源紋波的采樣率的選擇和測量開關(guān)管一樣，建議為250ms/s以上，因為電源紋波中包含了開關(guān)頻率成分。但對于電源噪聲，因為其中包含了來自于高速芯片通過電源和地平面?zhèn)鬏數(shù)脑肼暎尸F(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，測量的結(jié)果將嚴重失真。譬如本來vds的峰峰值，本來峰峰值應(yīng)該是450v,但因為采樣不夠，用線性插值測量的結(jié)果可能只有350v，用正弦插值測量的結(jié)果則可能為500v。要“時刻警惕采樣率”，這是高保真捕獲的重要原則之一。