如何获得纯净的直流电源
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纯净的直流电源是保持系统稳定的基础。若没有纯净的电源，器件就无法保持稳定的性能，并且使用寿命也会缩短。但是，想要获取纯净的电源并不容易。在设计器件时，您必须从一开始就考虑到电源。器件的耗电部分应该有规定的纹波和噪声容限，而器件的供电部分在设计上必须达到该技术指标。
器件的供电部分和耗电部分都必须正常工作，否则器件的性能和稳定性就会降低。如果您是一个人设计器件，那么关于器件的一切都是由您决定。但是，更常见的情况是，器件的设计工作由一个工程师团队协作完成，他们负责提供纯净的电源。
即使您不负责器件供电和耗电每个阶段的设计，但如果能够从始至终地了解整个设计流程，肯定有助于确保设计的成功，更高效地测试器件。
获得纯净的直流电源，主要分为三个阶段。
- 第 1 阶段：交流 — 直流电源转换
- 现有的器件无论使用电池还是市电作为电源，归根结底几乎都是使用电网提供的电力。阅读第 1 章，了解如何测试交流 — 直流转换器的效能和效率。
- 第 2 阶段：直流 — 直流电源转换
- 直流 — 直流转换器的作用是将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压。稳压直流电源可以在任何负载条件下提供恒定不变的电压。若没有稳压电源，您的器件性能就有可能下降，甚至完全失效。阅读第 2 章，了解为确保您的直流 — 直流设计符合设计参数，需要进行哪些测试。
- 第 3 阶段：测试和保护耗电器件
- 完全纯净的电源是不存在的。因此，您必须对器件进行测试，了解它对非理想电源的适应程度。跳转到本章，了解如何避免损坏器件，以及测试器件噪声容限的技巧。
- 结论：实现纯净的电源
了解这三个阶段涉及的测试及其操作技巧，可以帮助您消除系统中的更多噪声。现在，您已经知道了如何获得纯净的电源，接下来就可以专注进行设计了。
第 1 阶段：交流 — 直流电源转换
为器件供电，第一步是要将交流电转换为直流电。为了给使用市电的器件提供直流电，您需要设计或购买交流 — 直流电源转换器。若没有纯净的直流信号，您的器件可能受到损坏或性能下降。为了确保电源供应纯净的直流电，您需要验证一些关键的电源属性。测试应包括：
- 输入功率分析
- 开关损耗分析
- 输出功率分析
- 效率分析
- 频率响应分析
您可以使用示波器手动查找缺陷和异常，但这需要花费大量时间，而这些时间要是花在设计和验证流程的其他环节上会更好。很多现代工具都内置有电源测量功能，能够帮助您更快地调试和验证电源设计。不过，在开始评测电源之前，您需要确保已正确地连接好电源和器件。我们首先来了解一下实际应用中最佳的探测技术。
电源探测技术
若要使用示波器测量电源，您需要同时测量电流和电压（P = V x I）。因此，您需要一个电流探头和一个电压探头，这个电压探头应该能够安全地测量您的输入电压 — 通常来说，这就是高压差分探头。目前用于测量电源的电流探头中，最常见的类型是钳形电流探头。为了方便探测，您应该为电流探头设计一个探测点，或者在器件上焊接一根线，从而建立一个临时电流回路，方便探头的接触（图 1.2）。一旦得到了电流和电压值，就可以使用数学公式计算功率（图 1.1）。
输入功率分析
若您的交流输入质量较低或不符合规范，很可能会导致与之相连的其他器件无法正常工作。为了表征输入功率质量，您应该测量实际功率、视在功率和相位角等参数。示波器内置的功率应用程序可以执行这些测量。通过测量，您将会了解非线性交流负载引起的失真是否会导致问题。查找电压波形上的凹陷或“下降”以及凸起，因为这些会造成电流尖峰，可能对器件有害。
除了上述测量，电流谐波分析对于保证器件性能也至关重要。若此项技术指标超过容限，那么输入功率可能会导致连接到交流电网的其他元件发生故障。为了分析谐波，您需要让返回交流电网的频率分量的幅度变得可见。实现这一点的最佳方式是对电流波形进行 FFT 测量。通过示波器的FFT 或快速傅立叶变换，您能够同时查看频域和时域结果，因此更方便地分析频率分量的幅度。
是德科技 InfiniiVision 示波器内置了功率应用程序，可以进行高达 40 次谐波的电流谐波测量。您可以选择一个 IEC 标准作为谐波技术指标。然后，该应用程序将会对比电流谐波的测量结果与标准值，并给出颜色编码的合格/不合格指示。
开关损耗分析
一旦验证了输入功率符合您的技术指标要求，下一步就是检测电源的开关元件。理想条件下，开关电源没有任何开关损耗。但是，电源中使用的晶体管在实际中不可能符合理想条件，因此在开关断开和闭合时总会有一些功耗。如果能够分析开关在断开或闭合过程中损耗了多少功率，就能帮助您改进设计，尽量减少该损耗。
为了测量开关损耗，您可以使用一个差分探头来测量晶体管漏极和源极之间的电压（VDS），并使用电流探头测量晶体管源极输出的电流。对电压通道和电流通道的测量结果做乘法运算，即可得到并在屏幕上显示功耗信号。通过算术运算功能，您能够处理波形，使其显示一些通常在示波器上无法显示的信息，比如功耗。
由于功率是一个计算得到的值，所以偏移误差是导致功耗测量结果不准确的主要根源。+/- 0.1 格的偏移误差看起来可能很小，但在您测量传导阶段的损耗时，它会对测量结果产生巨大的影响。若您使用是德科技的 InfiniiVision 示波器测量开关损耗，请使用内置的精密校准程序先进行校准。
一旦器件完全开启并进入传导阶段，您就会看到功率波形会出现一个尖峰，而后缓慢降回 0 W。这就是瞬时功耗。通过对瞬时功耗进行积分运算，您可以知道每个开关周期中会损耗多少功率。根据该数据，您可以改进设计元件，以便提高器件的效率。影响整体效率的一个关键因素是开关频率。开关频率越快，损耗的功率越多。因此，一个常见的设计目标就是尽量减少开关频率。
输出功率分析接下来是验证输出功率的质量
电源的直流输出信号可能包含多余的交流纹波和噪声，称为“周期性偏差和随机性偏差”(PARD）。尽管大多数电源内部都提供了某种滤波和调节，但总会残留一些 PARD。如果 PARD 超出耗电器件的技术指标，就可能造成麻烦而且难以捉摸的误差。
因此，规定 PARD 的值（包括有效值和峰峰值）非常重要。峰峰值提供了关于高幅度、短持续时间的噪声尖峰的信息。这可以帮助您识别危险的大尖峰，从而避免元件损耗，减缓元件老化。有效值（RMS）值与标准偏差或不确定度一样，用于表征随机噪声。这可以帮助您确定功率的总体稳定度和纯净度。
通过分析 PARD，您可以测试电源的性能和质量，及其抑制开关噪声和其他噪声源的能力。您可以修改设计，以达到器件的纹波和噪声技术指标。
效率分析
测试电源效率是确定电源工作性能的关键一步。效率是总输出功率与总输入功率的比值。如果效率超过特定电源技术的典型范围，很可能是因为存在设计缺陷，需要您认真解决。此外，电源消耗的所有功率都转化为热量。电源效率越高，它的温度就越低。“直流 — 直流转换”一章对效率进行了更深入的论述。
供电时序
在分析直流输出时，您还应该了解开/关时序。当器件开启或关闭时，需要一系列事件依次发生，以便正确输出电压。开关电源中一个常见的错误是在开/关过程中发生了多余的事件，比如电压骤然升高，这是由反馈回路在试图补偿低电压时造成的。这会造成电流尖峰，可能损坏器件中的开关晶体管，大幅缩短电源的使用寿命。
为了防止发生这种情况，您可以考虑增加一个电路，用于限制启动期间开关晶体管的接通时间。通过在示波器上分析启动时间，您可以查看启动期间是否出现了电流尖峰，然后根据需要调整启动时延。
频率响应分析
分析电源的最后一步是评测其频率响应。器件对各种输入频率有不同的反应，称为“频率响应”。如果您发现频率响应有异常，可以对该特定频率做 FFT 变换，确定产生异常的原因。这些异常或毛刺可能会导致电源发生故障。
该分析通常是完全独立的流程，需要用到网络分析仪。但如果您使用的是是德科技 InfiniiVision 示波器，那么可以利用其内置的频率响应分析功能，而无需再使用其他设备。若要测量频率响应，首先应为器件提供一系列频率，并测量器件输出的增益和相位。根据测量结果，示波器可以绘制出增益和相位随频率变化的图形，称为波特图。示波器内置的频率响应分析仪可以供应并测量输入和输出电压。然后，它会计算每个频率下的增益，并将其添加至波特图。
接下来做什么？
实现纯净电源的第一步是确保将交流电高效地转换为直流电。为了测试这种转换，我们介绍了以下测试方法：验证输入功率，分析开关损耗，验证输出功率，测试电源工作性能，以及分析器件如何处理不同频率。现在，我们已经测试完了器件的交流 — 直流电源转换元件的测试，接下来讨论如何将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压。
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