本实验室教程将介绍一个常见的电力电子实验室，以展示如何同时使用 Moku:Go 的示波器、波形发生器和电源来为降压（降压）转换器供电并进行分析。
Moku:Go
Moku:Go 在一台高性能设备中结合了 14 多种实验室仪器，具有 2 个模拟输入、2 个模拟输出、16 个数字 I/O 引脚和可选的集成电源。
介绍
DC/DC 电源转换器是当今最常见的电子系统之一，因此能够快速调试和评估转换器的质量对任何类型的工程师都很重要。 Moku:Go 是一款出色的电力电子测试和测量设备，因为它将各种仪器集成到一个环境中，可以实现快速电路开发、测试和验证。
第一个转换器实验室将展示如何使用 Moku:Go 的集成示波器、波形发生器和可编程电源 (PPSU) 轻松表征构建在面包板上的典型降压转换器。 Moku:Go 正在控制此转换器的输入功率、PWM 占空比和 PWM 频率，同时允许示波器使用两个输入通道。 这允许在同一个笔记本电脑界面内快速实施和验证设计更改，以帮助缩短开发时间。
实验装置
实验室设备设置比较
传统（左）与 Moku:Go（右）
平台组件
- 莫库：走 [1x]
- R1 电阻 1kΩ [x1]
- R2 电阻 10kΩ [x1]
- R3 电阻 100Ω [x1]
- R4 电阻 100mΩ [x1]
- Cin 电容器 100nF [x1]
- Cout1 电容 100μF [x1]
- C输出2 电容 470μF [x1]
- L1 电感器 100μH x[1]
- Q1 MOSFET IRFZ44N [x1]
- Q2 晶体管 S8050 [x1]
- D1 二极管 1N4007 [x1]
- 面包板 [x1]
图 1：降压转换器
此设置同时使用 16V PPSU 和波形发生器 (WG) 来驱动 MOSFET 的栅极。 WG 配置为使用数字 PWM 产生方波，这使得驱动 MOFSET 和表征降压转换器变得简单，因为这一切都是从一个接口完成的。 晶体管 Q2 用作栅极驱动器，将 5V 方波转换为 12V 方波，以确保 FET 在其饱和区工作。 请记住，驱动电路正在反转 PWM 信号的占空比，因此 WG 接口中占空比的增加转化为 MOSFET 栅极占空比的降低。
实验室程序
1.电路设置
使用实验设置部分中的组件构建图 1 中的电路。
将 PPSU2 配置为 12V 和 150mA。 然后，将集成波形发生器设置为具有 V 的方波输出PP = 5V，V抵消 = 2.5V， f= 500Hz，D = 50%。 软件设置应类似于下面的图 2。
图 2：Moku:Go 软件设置
2：测试栅极驱动信号（VGS)
将示波器探头从 Input1 连接到 MOSFET 的栅极 Q1 以及从 Input2 到 MOSFET 的源极（引脚 3）的不同示波器探头。 请记住 Moku:Go 的每个输入和输出都有一个共同点, 所以唯一应该使用的接地线是 PPSU 的接地线（黑色香蕉插头线）。 在这里，启用数学通道并选择减法运算符以从 Input2 (ChA) 中减去 Input1 (ChB)。 这会给你 VGS 波形。
在桌面应用程序中改变占空比，波形是否符合您的预期？ 改变桌面应用程序中的占空比如何改变测量 V 的占空比GS 波形？
图 3：VG 使用数学通道的波形
V 的典型兴趣点GS 是 PWM 信号的上升沿和下降沿，以确保电压过冲不会破坏 FET 的栅极。 使用右上角的放大镜按钮放大一个脉冲的上升沿，或通过按“R”启用橡皮筋缩放。 您还可以使用鼠标滚轮滚动来改变时间分度，并使用 ctrl+scroll 来改变电压分度。
一旦关注感兴趣的波形，我们就可以使用左下方光标按钮中的可拖动光标来测量电压过冲。 从 
按钮用于电压光标，向右拖动用于时间光标。 屏幕上一次最多可以有 8 个光标，每个光标都包含附加功能，例如跟踪最大值/最小值或设置为参考。 要访问智能光标菜单，请右键单击示波器屏幕上的数字药丸。 您可以看到灰色时间轴光标正在测量 FET 的导通时间，最左边的光标被设置为参考。 这告诉我们 FET 的开启时间约为 25.5µs。
您还可以使用屏幕右侧设置抽屉中“测量”选项卡中的自动测量。 单击测量以更改其类型、通道或设置差异通道测量。
FET 导通时栅极端的电压过冲是多少，是否高于最大 VGS 数据表上的评级？
[解]
图 4：VGS 过冲和振荡测量
我们可以看到我们的过冲电压峰值约为 10.48V。 查看 IRFZ4NN 数据表，我们发现它的大小不足以损坏 FET 的栅极 (±20V)。
图 5：IRFZ4NN VGS 最大评级
3：转换器效率
任何类型的电源转换器最常见的品质因数是它的效率，以比率给出 P输出/Pin，其中 P输出 V =输出*I输出 和 Pin V =in*Iin. D = 50% 时转换器的效率是多少？
[解]
由于 Moku:Go 被用于为转换器的输入供电并监控输出，因此使用 PPSU“实际”测量和示波器的数学通道可以直接获得功率效率测量值。 测量负载电阻两端的电压 R3 和分流电阻两端的电压 R4, 然后可以启用数学通道并将其设置为其功能模式。 这样，您可以直接使用通道 A 作为输出电压输入功率方程，并将通道 B 上的电压除以分流电阻器（在本例中 R4 = 100 毫欧）。 您也可以在此模式下为数学通道选择所需的单位。 在测量选项卡中添加“平均”测量值将为我们提供 P输出。 要得到 Pin, 我们只需要打开 PPSU 窗口和多个 V实际 由我实际. 这使我们的转换器效率为……
图 6：PPSU 2 功率监视器获取 Pin
图 7：获取 P 的示波器设置输出
4：V输出 纹波电压
设置 D = 0.3 并启用交流耦合。 测量 V 的输出纹波输出 横过 R3. 如果您无法获得干净的测量值，请在“采集”设置选项卡中启用精确模式。 启用平均功能也有助于重复测量。
V 的 RMS 值是多少出去 纹波电压？
图 8：V输出 波纹与 Cout1 = 100微法
我们可以看到我们的峰峰值纹波电压约为 93mV，这并不算太大。 现在换C输出 电容器Cout2 = 470µF。 纹波是否减少？
[解]
图 9：V输出 波纹与 Cout2 = 470微法
5: V输出 谐波
启用数学通道并使用 FFT 确定频率分量的幅度。
图 10：V输出 FFT
6：VDS 纹波电流
与Cin 断开连接，通过 V 连接示波器探头DS. 切记不要使用示波器探头的接地引脚，而是使用数学通道获取 VDS 波形。 开关闭合时振荡的频率是多少？ 超调是否可以接受？
图 11：VDS 没有Cin
现在连接Cin 看看它是如何改变纹波电流波形的。
图 12：VDS 与Cin
我们可以看到 Cin 在 MOSFET 导通期间以峰值过冲电压的降低与增加的振铃进行权衡。
7: VL 在断续传导 (DCC) 中
设置 D = 10% 并连接示波器探头 L1, 这是你的 VL. 寄生振荡的频率是多少？
图 13：VL 振荡
图 14：VL 振荡
最后，让我们看看频率如何影响转换器的 DCC 模式。 设置 D = 80% 并通过选择频率设置框并使用箭头键增加频率来缓慢增加集成 WG 中的频率。 光标前面的有效数字是箭头键将改变的数字。
图15： VL 在 DCC @ 500Hz
我们知道，当 V 中不存在这些振荡时，转换器不再在 DCC 模式下运行L 波形。 在 4.3kHz 左右，转换器返回到连续导通模式。 这种主动学习方式可以很好地教导学生为什么选择组件对于所需的设备操作很重要。
图 16：VL 在 CC @ 4.3kHz
总结
本实验为本科生进行典型的降压转换器分析，同时重点介绍如何使用 Moku 的集成仪器环境：快速让转换器运行，然后进行基本性能分析。 在集成示波器环境中查看特定波形的同时改变转换器的占空比和开关频率的能力使学生能够轻松了解这些参数如何影响转换器的性能。 它还非常适合快速比较转换器与不同组件的性能，因为还可以从同一界面访问电源，并且可以快速保存转换器性能的屏幕截图，因为示波器和控件已经在您的计算机上。
Moku:Go 的好处
对于教育工作者和实验室助理
有效利用实验室空间和时间
易于一致的仪器配置
专注于电子设备，而不是仪器设置
最大化实验室助教时间
个人实验室，个人学习
通过屏幕截图简化评估和评分
对于学生
以自己的节奏进行的各个实验室可以增强理解和记忆
便携式，选择实验室工作的节奏、地点和时间，无论是在家、校园实验室，还是远程协作
熟悉的 Windows 或 macOS 笔记本电脑环境，但配备专业级仪器
Moku:Go 演示模式
您可以在 Liquid Instruments 网站下载适用于 macOS 和 Windows 的 Moku:Go 应用程序。 演示模式无需任何硬件即可运行，并提供了使用 Moku:Go 的精彩概述。
