本实验室教程展示了如何使用 Moku:Go 的示波器、频谱分析仪和可编程电源以及 TPS63802EVM 来确认所需工作条件下的重要规格。 这在新产品开发过程中非常有用，因为 Moku:Go 可以快速配置以匹配预期的电源条件，同时分析输出特性以确保被测模块能够在您的系统中工作。
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
开关模式转换器是非常常见的电子系统，可以通过多种方式实现，因此拥有一套标准测量来评估转换器的质量对于需要确定哪种类型的转换器最适合其应用的设计人员来说非常重要。 Moku:Go 是电力电子设计人员的理想测试和测量设备，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。
数据表有助于在相似类型的转换器之间做出决定，但是，这些数据表图表中可能并不总是显示所需的工作条件。 这就是评估模块 (EVM) 的用武之地，并且可以轻松地与 Moku:Go 一起用于电路表征。 重要的是首先将效率和负载调节等关键测量值与数据表图表进行比较，以确保 EVM 正常工作。 这就是本应用的目标，展示如何快速设置 Moku:Go、DC-DC 转换器 EVM 和电子 DC 负载以确认常见的转换器特性。
实验装置
平台组件
- Moku:Go（M2 模型）
- TPS63802EVM
- 科拉德电子负载
本实验室教程的目标是使用 Moku:Go 作为示波器、电源和频谱分析仪来确认 TPS63802 降压-升压转换器的关键规格。 以下是有关如何使用 Moku:Go 和电子直流负载设置 EVM 板的步骤。
使用电子负载和 Moku:Go 的 EVM 设置
首先，将 Moku:Go 的 PPSU3 (5 V/1 A) 电源连接到 EVM 的 Vin 和 J1 上的 GND 引脚并连接 EVM 的 V输出 和 GND 引脚在 J2 到直流负载。 我已将直流负载设置为其恒定电阻 (CR) 模式，其中 R加载 = 10 Ω 现在。
图 1：完整的 Moku:Go 测试设置
此 EVM 上有几种不同的工作模式，因此要启动 JP1，请将其设置为 PWM/PFM（脉冲宽度调制/脉冲频率调制）模式，并将 JP3 设置为感测 V输出. 由于在 PCB 上选择了 R3.3 和 R1 值，EVM 设置为具有恒定的 2 V 输出。
接下来，暂时将 Moku:Go 的电源设置为 4 V 和 1 A 限制。
图 2：Moku:Go PPSU 设置
最后，要启用该板，请将 JP2 处的短接跳线调整到 ON 位置。
要确认 EVM 是否正常运行，请查看 Moku:Go 的电源监控器和直流负载的监控器，看看我们在给定的测试条件下与预期的 3.3 V 有多接近。
图 3：PPSU 和负载设置
测试流程
转换器效率
效率测量可能相当乏味，尤其是在无法使用允许同时监控输入和输出功率的 4 通道示波器的情况下。 Moku:Go 为这个问题提供了一个 2 通道解决方案，因为它的示波器具有内置的电源电压和电流监视器，可以与它的两个 BNC 输入一起使用以进行快速效率测量。 还可以选择通过 MATLAB 或 Python API 自动执行此测量，这些 API 可以从 Moku:Go 的模拟前端读取电源传感器数据和电压输入数据。 此处将介绍手动效率测量。
本科生实验室的典型效率测量是通过如下表手动完成的，其中 Pin 和P输出 数据记录在一个变化的输出电流。 使用 Moku:Go 示波器中的数学通道可以更轻松地进行这些测量，因为函数编辑器功能允许使用两个通道作为输入变量“A”和“B”直接输入方程。 使用方程编辑器将使用分流电阻的输出功率方程直接输入到软件中，在本例中为 R分流 = 0.5 欧姆。
图 4：用于效率测量的示波器设置
表 1：不同负载和 V 下的效率in
通过在 Excel 中绘制表 1 并与 TI 数据表中的 TPS63802 效率图进行比较，这些结果的准确度在 4-5% 以内。 损耗可归因于此测试中使用 Moku:Go 和直流负载的长电缆线。 值得注意的是，这种降压-升压稳压器根据其在不同输出电流下的工作模式具有不同的效率。 升降压模式（Vin = 3.3 V) 在整个输出电流范围内具有最佳平均效率，而降压模式 (Vin = 5.0 V）和升压模式（Vin = 3.0 V) 分别在较高电流和较低电流下具有更好的效率。
图 5：使用手动输入的效率图比较
负载调节和负载瞬态响应
开关稳压器质量的另一个重要衡量标准是它在输出电流发生变化时保持恒定输出电压的能力，称为负载调节：
其中 Vnl 是空载条件下的电压，Vfl 是满载条件下的电压。 由于本实验室直接将规格与数据表进行比较，因此对负载调节使用相同的测试参数非常重要，即 Vin = 5 伏，V输出 = 3.3 V，我输出 从 100 mA（空载）到 1 A（满载）。 首先查看下面图 6 中的负载瞬态图，空载和满载条件之间的输出纹波变化很大。 取输出纹波的平均值将为我们提供准确的 Vfl 和V.nl，但是最好分别进行这些测量中的每一个。 这也允许将 TI 数据表中的预期输出纹波频率与 Moku:Go 上测量的实际纹波频率进行比较，因为该纹波频率与 PWM 或 PFM 模式的开关频率有关。
图 6：Moku:Go 测量的 TPS63802 负载瞬态响应
图 7：来自 TI 数据表的 TPS63802 负载瞬态响应
负载瞬态响应图非常相似，两者都在轻负载运行期间显示出明显的纹波，然后在满载时显示出大大改善的输出纹波。 这是由于 TPS63802 的 PWM/PFM 功能，其中在轻负载期间启用 PFM 模式以提高效率。 为确保负载调节测量准确，有必要仔细查看 PWM 和 PFM 模式下的输出电压波形。
下面的图 8 显示了轻负载期间的输出纹波电压（我输出 = 100 mA) 启用 PFM 模式。
图 8：PFM 模式下的输出纹波电压
V.pp 这个纹波在 110 mV 时相当大，但是这个输出的平均值非常接近预期的 3.3 V，其中 Vnl = 3.313 V。另外需要注意的是 135 kHz 纹波频率，这与 TPS63802 数据表中低负载 PFM 操作期间的开关频率相匹配。
图 9：典型电感突发频率与输出电流 (PFM)
接下来是看满载时的输出纹波（我输出 = 1 A)，在下面的图 10 中启用了 PWM 模式。
图 10：PWM 模式下的输出纹波电压
这里的平均值几乎正好在预期的 3.3 V，Vfl = 3.296 V，我们的纹波在 PWM 操作期间显着降低至仅 17 mV。 纹波频率约为 1.8 MHz，也与 TPS63802 数据表预期的开关频率相匹配。
表 2：典型 PWM 开关频率（降压模式）
使用图 8 和图 10 的平均值可得出负载调整率：
在启用 PWM/PFM 模式的降压模式（低）期间再次匹配预期的负载调节。
图 11：负载调节 (PFM/PWM)
关于此负载瞬态图的最后一个有趣的事情是观察瞬态期间的输出电压波形，如下面的图 12 所示。
图 12：PFM 到 PWM 模式的瞬态响应
由于 Moku:Go 的 30 MHz 带宽和 125 MSa/s 采样率，很容易看出 TPS63802 模块需要多长时间才能对输出电流的变化做出反应并启用 PWM 模式。 使用屏幕上的光标，将负载瞬态开始的位置设置为参考，然后将另一个光标放置在启用 PWM 模式时的峰值处。 图 13 显示，一旦电流增加超过 39 mA 阈值，模块从 PFM 模式变为 PWM 模式大约需要 100 µs。
PWM 和 PFM 开关模式的 THD 比较
现在，切换到频谱分析仪仪器，看看 TPS63802 在频域中的输出质量。 Moku:Go 的频谱分析仪采用混合超外差 FFT，即使在更高频率下也能确保最大分辨率带宽 (RBW) 和采样率。
电压波形质量的标准测量是总谐波失真 (THD)，定义为：
其中 V2正有效值 是 n 次谐波和 V 的 RMS 电压基金，均方根 是基频的 RMS 电压。 Moku:Go 由于其用户可调节的 RBW 和峰值跟踪智能光标，允许以极其简单的方式获得此测量值。
此测量的测试设置为 Vin = 4.2 伏，V输出 = 3.3 V，我输出 = 100 mA，一个示波器探头连接到输出电压传感器节点。 在此低电流下，转换器将在启用 PFM 的降压模式下运行。 下面的图 14 显示了在 2.5 MHz 跨度下使用调整后的 1 kHz RBW 启用的峰值跟踪光标。 y 轴已从典型的 dBm 单位更改为 V有效值 为了更快的计算。
图 13：高达 5 次谐波的 THD 测量，THD = 5.2%
基波电压V基金，均方根 = 4.750 V，当转换器以降压模式运行时，THD 为 5.2%。 还存在每 125 kHz 一次的谐波，这与我们在 PFM 模式下的负载瞬态测试期间看到的纹波相匹配。
现在改变我输出 为 500 mA，这将启用 PWM 模式，并查看 THD 如何变化。
图 14：高达 4 次谐波的 THD 测量，THD = 5.1%
转换器输出的 THD 根本没有太大变化，但输出频谱的内容发生了变化。 我们现在看到更高的 2nd 谐波峰值和每 250 kHz 的后续峰值，表明转换器现在正在 PWM 模式下运行。 这是与负载瞬态一起进行的很好的练习，以表明输出纹波和幅度与 2 密切相关nd 次谐波的幅度，以及谐波频率。
总结
在此应用中，成功比较了 Moku:Go 和使用 TPS63802EVM 的 TPS63802 数据表的测量结果，表明 Moku:Go 可以充当示波器和可编程电源，以快速表征各种工作条件下的降压-升压转换器。 结合使用集成可编程电源和示波器，我们能够快速改变 EVM 的工作条件并获得详细的输出图表和数据，以确认效率和负载调节测量。 这使设计人员能够快速测试和验证适用于其应用的潜在 IC，或使用 Moku:Go 的软件定义仪器表征他们自己的设计。
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