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如何測量全球最快的電源開關

2015年03月20日  | Steve Sandler

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穩壓器和直流-直流(DC-DC)電源內的矽功率器件不久將會被氮化鎵場效應電晶體(GaN FET)所取代,因為與矽的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)相比,氮化鎵場效應電晶體的開關速度要快得多,且RDS(on) 更低。這些優勢可以增強電源的功率效率,對大家都有好處。如果你正在設計配備氮化鎵器件的電源電路,你需要瞭解該器件的開關速度。為測量這一速度,示波器、探針和連接線的運行速度必須夠快,以儘量減少對測量產生的影響。


有關器件性能問題,我最常被問到的問題就是“它們的開關速度究竟有多快?”通常我會回答:非常快,但實際上我並不知道究竟有多快。為找出問題的答案,我使用了33 GHz即時示波器和高速傳輸線探針來對其進行測量。我將利用本文探討影響該器件開關速度的設計限制因素以及這類器件未來的發展前景。經過這些測量,我相信我們將很快能設計出開關速度達到250 MHz的電源。


圖1顯示了用來進行測量的兩片評估板。這兩片評估板分別都配備了一個閘電壓(gate-voltage)調節器、一個驅動器、一個脈衝調節器和兩個增強型氮化鎵開關。右側的評估板是一個完整的直流-直流轉換器,其中包含了一個Gen4單片半橋(在同一晶圓上開關)配置以及一個L-C輸出濾波器。左邊的評估板在半橋配置上採用了Gen3增強型氮化鎵器件,但並未裝配L-C輸出濾波器。在這兩種情況下,外部脈衝產生器可通過焊接至測試板脈寬調變(PWM)輸入的BNC連接器來提供脈寬調變信號。在輸入電壓為5V和12V的情況下,在各評估板上測量開關上升時間。


圖1:左側測試板配備了半橋配置,右側測試板配備了完整的直流-直流轉換器。香蕉插座(banana socket)可將測試板連接至電氣負載。通過BNC連接器可連接至外部脈衝產生器。
圖1:左側測試板配備了半橋配置,右側測試板配備了完整的直流-直流轉換器。香蕉插座(banana socket)可將測試板連接至電氣負載。通過BNC連接器可連接至外部脈衝產生器。

儀器和探針要求

為確保儀器和探針不會對測量造成重大影響,我們可以假設通過統計平方公差法來把探針、示波器和半橋配置的上升時間加起來。儘管這種方法並不總是成立,但我們在最初估計中假設這一關係成立。


測得的半橋上升時間包括示波器和探針的上升時間,為:

如何測量全球最快的電源開關,公式1

半橋的實際上升時間可按照下列公式來計算:

如何測量全球最快的電源開關,公式2

為在一定程度上降低測量錯誤K,儀器的上升時間可能與實際上升時間相關:

如何測量全球最快的電源開關,公式3

可通過計算儀器上升時間與實際半橋上升時間的比值來獲得K的值:

如何測量全球最快的電源開關,公式4

對於這兩個案例,如果我們希望測試結果低於5%或10%,則示波器和探針的上升時間需分別少於FET上升時間的32%或46%。換句話說,所使用儀器的上升時間應比FET上升時間分別快3.1或2.2倍。


測量開關性能

這裡使用的示波器為帶有Teledyne LeCroy PP066傳輸線探針的Keysight 90000-X系列33 GHz示波器。示波器與探針以50 GHz Huber+Suhner Sucoflex-100纜線連接。通過速度為20 ps的快速邊沿脈衝來記錄這一設置的上升時間,結果如圖2所示。用於進行這些測量的示波器和探針的上升時間要比上述的最低值快得多,因此可實現“完美測量”,從而確保測得資料的有效性。


圖2:通過配置有Huber Suhner Sucoflex 100 50 GHz電纜和Teledyne Lecroy PP066傳輸線探針的33 GHz Keysight Infiniium 90000-X示波器測量後,發現邊沿脈衝上升時間約為20ps。測量結果顯示,測試設置的上升時間少於27.69 ps,其中包括20 ps的脈衝上升時間。
圖2:通過配置有Huber Suhner Sucoflex 100 50 GHz電纜和Teledyne Lecroy PP066傳輸線探針的33 GHz Keysight Infiniium 90000-X示波器測量後,發現邊沿脈衝上升時間約為20ps。測量結果顯示,測試設置的上升時間少於27.69 ps,其中包括20 ps的脈衝上升時間。

測得的27.69 ps上升時間包括20 ps的脈衝上升時間,可通過和方根(root-sum square)值減去脈衝上升時間來確定示波器、探針頭和電纜的上升時間。無需扣減脈衝邊緣上升時間,即可完全確定設備上升時間少於27.69 ps,我們可通過這一資料來進行保守估計。


根據先前的計算,並基於對設備上升時間為27.69 ps的保守估計,我們可以在K%範圍內測量半橋配置的上升時間。


如何測量全球最快的電源開關,公式5

準確率為0.5%時,測量設置測得的結果為276 ps;準確率為0.1%時,測得的結果為619 ps。完整的儀器設置如圖3所示。


圖3:完整的儀器設置涵蓋了直流-直流轉換器。當測試板輸入電壓被調節至12V時,閘極驅動調節器電壓為7V。上圖分別顯示了電氣負荷(右下方),Keysight 90000-X示波器、Teledyne Lecroy PP066傳輸線探頭和Huber Suhner Sucoflex 100電纜等器件。
圖3:完整的儀器設置涵蓋了直流-直流轉換器。當測試板輸入電壓被調節至12V時,閘極驅動調節器電壓為7V。上圖分別顯示了電氣負荷(右下方),Keysight 90000-X示波器、Teledyne Lecroy PP066傳輸線探頭和Huber Suhner Sucoflex 100電纜等器件。

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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