Switching loss 很重要-電供沒用也耗電-量給你看

各位應該有聽說過3C產品沒有使用時，插頭插著也會耗電，造成的因素有很多，其中一項就是 Switching loss ，也就是電源供應器裡面的功率電晶體在快速切換的當下所耗損的能量，待會我們就會用示波器做測量，同時我也會順道說明一些細節，如此才能正確量測。

這次我就拿一個DVD player拆下來的AC-DC電源模組來當我們的待測物，要測量的對象就是下圖這個電路板中間IC，它是8pin包裝的DIP但實際只有7pin，這顆IC它其實就是個功率電晶體，也是交換式電源的心臟，負責控制整個電源電路的行為。

何謂Switch loss

一般電晶體在On/Off切換的時候，理論上它的電壓電流變化應該會如下圖，Turn on時電流最大、電壓最小；Turn off時電流最小、電壓最大。

但是實際上在On/Off交界的地方，波形不會直上直下，它在交界處的波形一定會有個坡度，Switching loss就藏在這裡面，只要把電壓電流波形乘起來的話，就可以發現On/Off交界處有個小小的突起，這個就是Switching loss的功率，也就是被浪費掉的功率，也就是下圖的紅色波形。

各位看上圖的電壓波形很漂亮，但是在AC-DC的交換式電源裡面，實際的波形會有點不一樣，大致上會看起來像下圖，那是因為電晶體是跟變壓器、反向二極體、電容等等接在一起，會有複雜的交互作用產生，所以波形會看起來很不一樣。

差動探棒與電流探棒

我這個電源模組的電路圖如下，它在一次測主要的電流路徑就是畫紅線的地方，電流會經過上方的主變壓器，然後再流過TNY178這個功率電晶體，所以要測量Switching loss，就是要把這個電晶體的電壓\(V_{ds}\) 和電流\(I_{ds}\)相乘。

但是\(V_{ds}\) 和\(I_{ds}\)這兩個值好量嗎? 其實不好測量，因為這會需要差動探棒與電流探棒，偏偏這兩樣東西很貴，不然的話就得要運用一些技巧，利用普通的電壓探棒來完成測量。

為什要差動探棒與電流探棒? 因為變壓器一次側這裡的地是熱地，但是示波器這裡的地是冷地，冷地與熱地若接在一起，會直接爆電路，所以要測量一次側的元件電壓，必須要使用下圖的差動探棒，它不需要接地就可以測量任兩點之間的電壓，這是最正規的測量方式。至於剛才提到的熱地、冷地的細節，這部分各位可以參考這篇文章熱地 HOT Ground 是甚麼-沒搞懂會暴電路

再來就是\(I_{ds}\)電流的測量，這就需要下圖的電流探棒了，這東西基本上也不便宜，所以如果只是一時好奇想看一下Switching loss，基本上不可能特別去買來用。

相信大部分的朋友們和我一樣，手邊應該僅有下圖這種普通的示波器電壓探棒，它有一個長長的地線夾，你一定得接地，如果不能把地線夾接在電源的熱地上，那該怎麼辦呢?

利用普通電壓探棒做量測

為了讓普通的電壓探棒可以在熱地上做量測，我們需要動一點腦筋，甚麼方法呢? 只要把示波器的電源插頭裡面的GND腳斷開就可以了，就用下圖這個很常見的地線分離轉接頭Ground lifter。

這麼一來當我們把探棒的GND接到熱地上面時，示波器的GND也都是熱地了，這樣我們就可以量到\(V_{ds}\)，但這麼做是需要付出風險代價的，在測量的整個過程中，示波器的任何金屬外殼，以及任何外漏的金屬，絕對不能觸碰到任何冷地，否則就會直接爆電路，所以千萬不能拿高價的儀器開玩笑。

有人可能會說，既然會爆電路，那我直接把ground折斷不就好了，不行! 那只是在目前的需求之下，示波器不能接地，如果你要測量電話線的訊號，那示波器就一定要接地，不然你會遇到很大的60Hz弦波，各位有興趣看細節的話，可以看這篇電話訊號-降低60Hz干擾-示波器祕技下集，不同的情況有不同的需求，各位就要自己判斷。

那接著電流\(I_{ds}\)要怎麼量呢? 若沒有電流探棒，就要採用Shunt resistor的方式，也就是在電流路徑上串接一個小電阻，例如我就串一顆0.5 ohm的電阻，於是就能藉由測量電阻兩端的電壓進而換算得到流過的電流如下圖。

由於原本的電路並沒有設計Shunt resistor，若要把這個0.5 ohm小電阻串聯進電路，就需要大動干戈。要先把電晶體解焊拔起來，每個腳位都需要另外用電線焊接，大電流要用粗線，小電流用細線，才有機會把小電阻串接進來，由於電流路徑有點長，電線最好還能對绞一下盡量降低干擾，這真的有點麻煩。

接著示波器這裡的刻度設定就要改為電流，但畢竟示波器本身也只能感知電壓，透過電阻來轉換電流的話，就需要設定轉換倍數，也就是電阻的倒數，所以這裏就要設定為2倍如下圖。

測量Switching loss

東西都就緒了，我們就來測試看看這個Power module它的switching loss是多少吧，再提醒一次，這個量測會把電源的熱地拿來當作示波器的地，所以務必先確認示波器自身的電源接地線有斷開，同時儀器本身外露的金屬接頭也不可以跟其他設備有接觸。

接著把待測物的電源打開，你現在看到的就是電壓與電流的波形，前面有跟大家提過，現在看到的就是實際的波形，黃色是電壓、藍色是電流。

接著就要來測量Switching loss了，把示波器的Power analysis選項裡面的Switching loss打開，畫面上會多出一條紅色軌跡，它是電壓電流這兩個軌跡相乘的結果。你看On與Off的交界處，功率會特別大，這就是Switching loss的功率，所有的量測數值會直接出現在螢幕上如下圖。

Reference level

但這些讀值並不是每次都會順利出現，有時候你會發現讀值會消失，這就跟參考電壓Reference level的設定有關係，它是電源分析功能裡面獨有的選項。由於交換式電源的波形比較複雜，而且每個波形都不一樣，所以我們需要另外設定Reference level來輔助判斷電晶體On/Off的時間點，如上圖黃色圈起來的部分。

選單中有三個Level要設定，分別為高中低，都是以百分比來表示，波形準位最低為0%、最高為100%，Low level預設5%，主要用來避免計算受到雜訊影響，5%的設定大概都能在雜訊之上。

High level預設90%，基本上最好能定在初次上升段快結束的地方，波形比較容易穩定，實際多少還是要自己調，像我這裏的電流的High level就設定為48%。

再來是Mid level，它設定的位置就沒有一定了，只要能盡量避開上方的震盪區就好，這樣可以協助示波器更精準找到Ton/Toff的時間點，如此一來就比較容易得到計算結果。

Gating

雖然剛才已經得到一個讀值了，但這個計算結果到底是僅計算一個On/Off? 還是很多個呢? 其實我們可以決定，到底整段波形的哪個片段要拿來計算switching loss，所以這裡就有一個選項稱為Gating，這有點像是個限時搶購的概念，門有打開你才能進來計算。

所以Gating off意思就是沒有Gating，就把整段波形的功率數值全部加起來就是了；如果選擇螢幕Screen的話，就只會計算出現在螢幕上的波形，因為我們看到的畫面只是整段波形的一部分，這個你可以觀察螢幕上方的Bar就可以知道，紅色波浪代表抓取的整段波形，中間的白框就是螢幕所顯示的部分，它就只算白框Screen這部分。