首先，让我们明确示波器功率分析可以实现什么功能：
1.分析整体谐波失真和有效功率，取决于功率、功率因素和峰值因素。
电流谐波试验按IEC61000-3-2标准进行。
3.测量开关设备的开关损耗和导通损耗。
4.分析电流和电压的转换率dl/dt和dv/dt。
5.示波器纹波测量自动设置。
6.分析脉冲宽度调制。
从传统的模拟电源到高效的开关电源，电源的类型和大小都有很大的不同。它们都面临着复杂而动态的工作环境。设备负荷和需求可能会在瞬间发生很大的变化。即使是日常开关电源也能承受远远超过其平均工作电平的瞬时峰值。设计电源或系统中使用电源的工程师需要了解静态和最差条件下电源的工作。
在过去，描述电源的行为特征意味着使用数字万用表测量静态电流和电压，并使用计算器或电脑进行艰苦的计算。今天，大多数工程师将示波器作为他们的首选电源测量平台。现代示波器可以配备集成的电源测量和分析软件，简化设置，使动态测量更容易。用户可以定制关键参数，自动计算，并在几秒钟内看到结果，而不仅仅是原始数据。
电源设计及其测量要求。
理想情况下，每个电源都应该像它设计的数学模型一样工作。然而，在现实世界中，组件存在缺陷，负载会发生变化，电源可能会失真，环境会发生变化。此外，不断变化的性能和成本要求也使电源设计更加复杂。考虑到这些问题：
额定功率以外的电源能维持多少瓦？它能持续多久？电源散发多少热量？过热时会发生什么？它需要多少冷却气流？当负载电流急剧增加时会发生什么？设备能保持额定输出电压吗？如何处理输出端的完全短路？当电源的输入电压发生变化时会发生什么？
设计师需要开发更少的空间，降低热量，降低制造成本，满足更严格的EMI/EMC标准。工程师只有严格的测量系统才能实现这些目标。
测量示波器和电源。
对于那些习惯于用示波器进行高带宽测量的人来说，电源测量可能很简单，因为它的频率相对较低。事实上，高速电路设计师从未面临过许多挑战。
整个开关设备的电压可能非常高，并且是浮动的，即不接地。信号的脉冲宽度、周期、频率和空间比都会发生变化。必须如实捕获和分析波形，以发现异常波形。这对示波器有严格的要求。各种探头-同时需要单端探头、差异探头和电流探头。仪器必须有一个大的存储器，以提供长期低频收集结果的记录空间。并可能需要在一次收集中捕获不同的信号。
开关电源基础。
大多数现代系统中的主流直流电源系统结构是开关电源（SMPS），这是众所周知的，因为它可以有效地处理变化负载。典型的SMPS电源信号路径包括无源设备、有源设备和磁性元件。SMPS使用尽可能少的损耗元件（如电阻和线性晶体管），主要使用无损耗元件：开关晶体管、电容和磁性元件。
SMPS设备还有一个控制部分，包括脉宽调节器脉频调节器和反馈环1。控制部分可能有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，显示了电能转换部分，包括有源设备、无源设备和磁性元件。
SMPS技术采用金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等功率半导体开关设备。这些设备开关时间短，能够承受不稳定的电压峰值。同样重要的是，它们消耗的能量很少，效率高，热量低。开关设备在很大程度上决定了SMPS的整体性能。开关设备的主要测量包括：开关损耗、平均功率损耗、安全工作区域等。
准备好测量电源。
在准备测量开关电源时，必须选择合适的工具，并设置这些工具，以便它们能够准确、可重复地工作。当然，示波器必须具有基本的带宽和采样速率，以适应SMPS的开关频率。电源测量至少需要两个通道，一个用于电压，另一个用于电流。有些设施也很重要，它们可以使电源测量更容易、更可靠。以下是需要考虑的部分：
开关器件的开启和断开电压能在同一次采集中处理吗？这些信号的比例可能达到10000:1。
电压探头和电流探头是否可靠、准确？有没有有效的方法来纠正它们的不同延迟？
探头的静态噪声有没有有效的降低方法？
仪器能配备足够的记录长度，以较高的采样速度捕获较长的完整工频波形吗？
这些特性是进行有意义、有效电源设计测量的基础。
测量一次采集的100伏和100毫伏电压。
为了测量开关器件的开关损耗和平均功率损耗，示波器必须分别确定开关器件断开时的电压。
在最高输入电压下，开关器件上的断开状态电压(TP1和TP2之间)可能高达750V。在开启状态下，同一端子之间的电压可能在几毫伏到一伏左右。图3显示了开关器件的典型信号特性。
测试开关电源。
图3.开关设备的典型信号。
为了准确测量开关器件的电源，必须首先测量断开和开启电压。然而，典型的8位数字示波器的动态范围不足以准确地收集开启期间的毫伏信号和断开期间的高电压。为了捕获信号，示波器的垂直范围应设置为每分100伏。在此设置下，示波器可以接受高达1000V的电压，以便在不使示波器过载的情况下收集700V的信号。使用该设置的问题是，最大灵敏度（可分析的最小信号范围）变为1000/256，即约4V。
泰克DPOPWR软件解决了这个问题，用户可以在设备技术数据中RDSON或VCEsat值输入图4所示的测量菜单中。如果测量电压在示波器的灵敏度范围内，DPOPWR也可以用采集的数据计算，而不是手动输入值。
图4.DPOPWR输入页面允许用户输入RDSON和VCEsat的技术数据值。
测试开关电源。
图4.传输延迟应对电源测量的影响。
消除电压探头与电流探头之间的时间偏差。
为了使用数字示波器进行电源测量，必须测量MOSFET开关器件（如图2所示）漏极、源极之间的电压和电流，或IGBT集电极和发射极之间的电压。该任务需要两个不同的探头：一个高压差探头和一个电流探头。后者通常是非插入式霍尔效应探头。这两种探头都有其独特的传输延迟。这两种延迟的差异（称为时间偏差）会导致范围测量和与时间相关的测量不准确。一定要了解探头传输延迟对最大峰值功率和面积测量的影响。毕竟，功率是电压和电流的积累。如果两个乘数的变量没有得到很好的纠正，结果将是错误的。当探头没有正确的时间偏差校正时，将影响开关损耗等测量的准确性。
图5所示的测试设置比较了探头端部的信号(下线显示)和传输延迟后示波器前面板上的信号(上部显示)。
图6-图9是一个实际的示波器屏幕图，显示了探头时滞的影响。它使用泰克P52051.3kV差分探头与TCP0030AC/DC电流探头连接到DUT上。通过校准夹具提供电压和电流信号。图6显示了电压探头和电流探头之间的时滞。图7显示了未校正两个探头时滞时获得的测量结果（6.059mW）。图8显示了校正探头时滞的影响。两条参考曲线重叠，表示补偿延迟。图9中的测量结果显示了正确校正时滞的重要性。这个例子表明，时滞引入了6%的测量误差。准确校正时滞降低了峰值功率损失的测量误差。
图5.传输延迟效应对电源测量的影响。
图7.有时间偏差时，峰值幅度和面积测量为6.059瓦。
DPOPWR电源测量软件可以自动纠正所选探头组合的时间偏差。该软件控制示波器，并通过实时电流和电压信号调整电压通道和电流通道之间的延迟，以消除电压探头和电流探头之间的传输延迟。
静态校正时间偏差的功能也可以使用，但前提是特定的电压探头和电流探头是恒定的，可以重复传输延迟。静态校正时间偏差的功能根据内置的传输时间表自动调整选定电压与电流通道之间的延迟，以选择探头（如本文档中讨论的Tektronix探头）。该技术为将时间偏差降至最低提供了快速方便的方法。
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