电源测量中示波器带宽和采样率的选择

示波器带宽有四个相关名词：模拟带宽、数字带宽，系统带宽和触发带宽。数字带宽等于采样率的一半，实用意义不大。触发带宽是示波器厂商“硬”造出来的一个概念，是指示波器触发电路可以正常工作的最大输入正弦信号的频率。对于高端示波器，触发电路在输入信号频率超过一定大小就不能工作了! 系统带宽是指示波器前端放大器和探头、测试夹具等组成的测量系统的带宽。一般不特别说明，带宽即是指示波器的模拟带宽,也就是示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点。示波器的放大器是低通滤波器，其幅频特性曲线如图1所示，带宽就是输入电压幅值降低到输入
-3dB(70.7%)时的截止频率点。

· 当被测信号是串行数据时，串行数据的上升时间如果大于20% UI（一个比特位的时间长度），那么示波器带宽只要达到被测信号比特率的1.8倍就能覆盖信号能量的99.9%。 如果上升时间大于30% UI,只要1.2倍信号的比特率就足够了。现实电路中，串行数据的上升时间绝大多数在接收端时都大于30%了。因此，对于3Gbps的SATA信号，在经过夹具之后用4GHz示波器就可以。 大家可以用4GHz、6GHz、13GHz测试后比较一下看看。

·电源不是串行信号，上面的规则并不适用。 在很久很久以前，业内一就直流传的带宽选择依据是“3到5倍”法则，即带宽是被测信号频率的“3到5倍”。其实这里面没有强调上升时间，这个法则不够具有普适性。SI之父Howard Johnson以其个人权威给出一个从示波器上升时间来选择带宽的原则，但他没有给出详细的推导。

Howard认为，当示波器上升时间小于被测信号上升时间的1/3时，测量结果的误差小于5%。示波器上升时间约等于0.35/示波器带宽。 这里面0.35是基于理想的低通滤波器模型RC电路推导的，实际可能是0.45,0.5不等。因此，我们可以根据信号的上升时间推导出需要的示波器上升时间，再根据示波器手册或0.35的关系式选择示波器带宽。

关于带宽的选择，业内充斥着不专业，不负责任的言论。这是值得警惕的。

让我们回到问题本身,关于开关电源的带宽选择,要看具体测量需求。开关电源需要测量的信号可能包括：

· 测量开关管（主流是MOSFET）的带宽选择

电源调试中，要反复测量开关管的漏源极电源Vds，驱动电压Vgs，漏源极电流Ids等，以确定上下开关管的死区时间以防止开关管“直通”导致电源炸机，要测量驱动信号波形，该波形的上升沿缓慢，开关管损耗会更大，上升沿陡，开关管损耗会更小，但漏源极过冲会更大。 最重要的测量是确保Vds的电压峰峰值在各种动态条件下不会超个开关管Vds的最大限值。这些动态条件包括负载从空载到满载，满载到空载的跳变; 负载在50%-75%-50%,25%-50%-25%之间的来回连续的跳变，以及开机软启动过程Vds的峰值电压。这些动态条件下准确测量Vds的影响因素众多，在此不一一细述。 这个测试项目在电源工程师心中的重要性我深以为然。这个值测量不准确，可能会导致开关管容易被损坏，或者是开关管的耐压值超过实际需要，影响到成本。开关管Vds额定值越大，价格越贵。 因此，很多电源工程师纠结在这里。

开关管的上升时间取决于开关管具体型号。 一般功率小的电源开关频率可以达到1MHz甚至更大，对应的开关管的上升时间越小。功率大的电源开关管开关频率小，只有100KHz甚至更小，上升时间大。但是多数开关管上升时间达到了100ns。即使开关管上升时间只有30ns，1/3的上升时间也有10ns,而100MHz的示波器的上升时间只有3.5ns。因此，用100MHz带宽示波器测量开关电源的开关管是足够的。其实，很少有开关管上升时间只有30ns的，限制带宽到20MHz就足够了。但这点曾经受到有些电源工程师的质疑，他认为对于Vds的高压信号，要看尖封毛刺局部的上升时间，研究其包含的能量。

这里要特别说明的是，测量开关管特别是半桥或全桥电路的上半桥，因为是不对地的悬浮高压，一般要用高压差分探头测量。目前高压差分探和电流探头90%以上都是第三方OEM的，最大带宽只有100MHz。虽然标称带宽是100MHz，但往往不是和示波器进行一体化设计、校准的，因此，和100MHz示波器组成的系统带宽只有70MHz。但如果用200MHz示波器，和100MHz的探头组成的系统带宽则可以达到100MHz，如果您认为Vds的尖峰毛刺的信号能量是必须用100MHz测量的话。

· 测量电源系统的监控部分电路的带宽选择

有些复杂的电源系统，有很多电源模块组成，需要使用DSP或者Power PC来作为控制核心。有一些外设存储单元，键盘监控单元等。这将涉及到时钟信号，CAN控制信号，I2C，SPI等信号的测量。这些信号的速率除时钟频率外都不高。如果为了测量DSP时钟信号，最好要选择500MHz带宽甚至1GHz,但电源工程师很少对这个时钟信号进行认真地测量。 其它信号带宽都只要20MHz就可以了。