R&S RTO/RTE 示波器：16 位元高解析度，精準量測 MOSFET RDS(on) 與高動態訊號
- Sonya Chan
- 9月21日
- 讀畢需時 4 分鐘
專為電動車與混合動力車設計，有效克服高動態訊號量測挑戰
開發電動驅動系統時，驅動電子裝置的功率效率是關鍵參數，其中，驅動電子裝置的傳導損耗尤其重要，而決定傳導損耗的一個關鍵參數就是 MOSFET 的 RDS(on)，當切換 MOSFET 處於關閉狀態時，其汲極至源極電壓很高；但當其開啟時，電壓會降至僅數百毫伏特，因此，量測這些低電壓需要高解析度示波器，為了確保 RDS(on) 量測的準確性，探棒補償與正確的探測方式同樣至關重要。
測試任務
為了計算工作於反向模式的 MOSFET 的 RDS(on)，需要量測其汲極電流與汲極至源極電壓，然而，由於切換期間，關閉狀態的汲極至源極電壓很高，且存在突波，因此，使用標準示波器典型的 8 位元解析度難以量測開啟狀態下相對較小的汲極至源極電壓；此外，不佳的探棒補償與錯誤的探測技術會顯著扭曲訊號，即使示波器提供必要的動態範圍，也會導致不正確的量測結果。
測試解決方案
搭配 R&S®RTO/R&S®RTE 示波器、其高畫質模式（high definition mode）以及正確的探測技術，便能在高動態範圍條件下量測 RDS(on) 所需的汲極至源極電壓，藉由數位低通濾波，可實現最高 16 位元的垂直解析度，有效降低雜訊並提高訊噪比。
使用者可以將頻寬從 1 GHz 限制到 10 kHz（10 位元到 16 位元），可選擇不同的頻段，這讓使用者能夠觀察到切換式電源供應器應用中，汲極至源極電壓等微小訊號細節，這些細節在一般情況下會消失在雜訊中。
應用
正確的探測技術與探棒補償以實現精準量測
當量測具有高頻率成分的訊號時，探測的一個關鍵在於保持探測連接（訊號接腳和接地連接）形成的迴路盡可能短，R&S®RT-ZP10 被動探棒的彈簧式探頭，搭配接地接觸彈簧，可提供安全接觸，並最大限度減少量測訊號上的雜訊與干擾耦合；因此，該機種可直接探測 MOSFET 的 PIN 腳與本體，準確的探棒補償對於高解析度量測也同樣重要，探棒補償不良會引入量測誤差，導致讀數不準確，這也可能影響本應用卡片中建議的差動量測。
對於 MOSFET 接腳皆未接地的量測，必須使用主動式差動探棒，此處，R&S®RT-ZD10 1 GHz 主動式差動探棒特別實用，其配備額外的 10:1 衰減器，可將探棒的電壓範圍擴展至 70 V DC / 46 V AC（峰值）。
在高畫質模式下分析極微小的訊號細節
R&S®RTO-K17/R&S®RTE-K17 高畫質選配為使用者提供一個非常彈性的方式，可提高 R&S®RTO/R&S®RTE 數位示波器的解析度，該軟體選配採用數位濾波來增加示波器解析度，最高可達 16 位元，即使在動態範圍極高的條件下，也能進行詳細分析，高畫質模式可透過幾個簡單步驟快速設定：
按下 “Mode” 按鈕。
在 “Acquisition” 選項中，按下 “Option Mode” 並選擇 “High definition”。
根據需要調整頻寬，系統將自動顯示所得的解析度。
所選頻寬應盡可能低，以獲得足夠的解析度，但也應盡可能高，以最大限度減少濾波所造成的訊號失真。理想的量測頻寬必須依個案情況決定。
計算 RDS(on) 時避免偏移問題
在如此不同的電壓準位下進行量測，需要額外的步驟才能獲得正確結果，此時，僅僅將 MOSFET 兩端的汲極至源極電壓除以汲極電流來計算 RDS(on)，示波器的偏移準確度已不足夠，且當使用 Rogowski 探棒量測流經 MOSFET 汲極接腳的電流時，只能量測汲極電流的 AC 成分，因此，示波器上量測到的電流將具有 DC 偏移。
為了解決此問題，可利用 MOSFET 開啟狀態下，汲極電流在某個時間區間內會呈現恆定或幾乎恆定的斜率，因此，在高畫質模式下，採用差動方法來計算 RDS(on) 是一個合理的方式，步驟如下：
調整示波器的垂直刻度，使包括突波在內的最大汲極至源極電壓不超過示波器的輸入電壓範圍，否則，過載和飽和效應會降低汲極至源極電壓量測的準確性。
使用縮放模式顯示汲極至源極電壓，使汲極至源極電壓的斜率清晰可見。
啟用波形平均功能，以消除任何殘留的非目標雜訊或干擾。
量測汲極至源極電壓的斜率，得到 ΔuD。
在與 ΔuD 相同的時間區間內，量測 MOSFET 汲極電流的斜率，得到 ΔiD。
將 ΔuD 除以 ΔiD 來計算 RDS(on)。
上面螢幕截圖說明了此量測過程。
總結
R&S®RTO-K17/R&S®RTE-K17 高畫質選配，可以量測在典型 8 位元示波器的雜訊中會遺失的訊號細節，因此，該機種能夠量測開關模式電源供應器應用中，RDS(on) 等訊號具有高動態範圍的參數，在使用上，必須注意採用正確的探測技術與準確的探棒補償，因為兩者都可能為量測結果引入顯著的誤差，建議在各種條件下進行量測，以驗證此類高動態量測的結果，確保量測的準確性。
