Phép đo tổn hao chuyển mạch trên một bộ nguồn xung nhìn qua thì đơn giản: nhân điện áp với dòng điện rồi lấy tích phân. Nhưng đây là một trong số ít phép đo mà một sai sót ở khâu chuẩn bị — lệch thời gian vài nano-giây giữa hai đầu dò — không làm kết quả sai vài phần trăm, mà sai hàng chục phần trăm. Và kết quả sai vẫn trông rất hợp lý: dạng sóng đẹp, con số tròn trịa, không dấu hiệu nào báo rằng nó vô nghĩa.
Bài viết đi qua ba phần: tổn hao chuyển mạch được tính thế nào, vì sao khử lệch thời gian là bước bắt buộc, và các ràng buộc an toàn khi đưa đầu dò vào một mạch không cách ly với lưới.
Tổn hao chuyển mạch được tính thế nào
Công suất tiêu tán tức thời trên một khóa bán dẫn là tích của điện áp rơi trên nó và dòng chảy qua nó tại cùng thời điểm:
p(t) = vDS(t) × iD(t)
Năng lượng mất trong một lần đóng và một lần cắt là tích phân của p(t) trên khoảng chuyển mạch tương ứng, ký hiệu Eon và Eoff. Tổng tổn hao của khóa gồm ba thành phần: tổn hao đóng, tổn hao cắt, và tổn hao dẫn. Nhân hai thành phần đầu với tần số chuyển mạch fsw rồi cộng tổn hao dẫn là ra công suất tiêu tán trung bình.
Điều đáng chú ý nằm ở hình dạng của p(t). Khi khóa dẫn ổn định, điện áp gần bằng không nên tích số nhỏ; khi khóa đã khóa hoàn toàn, dòng gần bằng không nên tích số cũng nhỏ. Toàn bộ tổn hao chuyển mạch dồn vào đúng khoảng ngắn ngủi ở giữa, khi điện áp đang tụt xuống trong lúc dòng đang dâng lên — hoặc ngược lại. Trên một MOSFET hiện đại, khoảng đó có thể chỉ vài chục nano-giây.
Vì sao khử lệch thời gian là bước bắt buộc
Từ nhận xét trên suy ra ngay vấn đề: hai tín hiệu v và i biến thiên rất nhanh và ngược chiều nhau trong đúng cửa sổ cần tích phân. Nếu kênh điện áp và kênh dòng lệch nhau về thời gian, phép nhân ghép sai điểm với điểm — đem một giá trị điện áp cao nhân với một giá trị dòng lớn không thuộc cùng thời điểm, cho ra con số năng lượng không tồn tại.
Nguyên nhân gốc rất đời thường: mỗi loại đầu dò có độ trễ lan truyền riêng. Đầu dò vi sai có mạch khuếch đại vi sai và bộ suy giảm; đầu dò dòng có lõi từ và mạch bù. Hai đường đi khác nhau về bản chất thì trễ khác nhau. Theo Keysight, chính vì độ trễ lan truyền khác nhau này mà sai số lệch thời gian giữa đầu dò điện áp và đầu dò dòng có thể ảnh hưởng đáng kể tới kết quả đo công suất trong các ứng dụng đo chuyển mạch.
Cách xử lý là dùng đồ gá khử lệch (deskew fixture): đưa cùng một sự kiện chuyển mạch vào cả hai đầu dò, đọc chênh lệch thời gian, rồi nạp giá trị bù vào máy hiện sóng. Thao tác mất vài phút, cần làm lại mỗi khi đổi đầu dò hoặc đổi cấu hình, và không thể thay bằng cách căn mắt trên màn hình.
Quy tắc kiểm tra nhanh: nếu đường công suất tức thời có xung âm đáng kể ngay trước hoặc sau sườn chuyển mạch, khả năng cao là chưa khử lệch, chứ không phải khóa đang trả năng lượng về nguồn.
Đầu dò cao áp vi sai thay vì thả nổi máy hiện sóng
Trong một bộ nguồn xung không cách ly, cực nguồn của khóa phía cao không nối với đất. Muốn xem điện áp trên khóa đó bằng đầu dò thụ động thông thường, người ta buộc phải kẹp dây mát của đầu dò vào một điểm không phải đất — và đó là lúc phát sinh sự cố.
Máy hiện sóng để bàn có vỏ và mát tín hiệu nối với dây bảo vệ của nguồn điện. Kẹp mát đầu dò vào một nút đang ở vài trăm vôn so với đất tương đương với nối tắt nút đó xuống đất qua vỏ máy: cháy đầu dò, hỏng mạch đang thử, hỏng máy, và nguy hiểm cho người vận hành. Tháo chân tiếp đất của máy hiện sóng còn tệ hơn — nó không loại bỏ dòng sự cố, chỉ đưa toàn bộ vỏ máy, kể cả các núm xoay tay người đang chạm, lên điện áp đó. Vì vậy việc đo cách ly đúng cách phải giải quyết bằng đầu dò, không bằng can thiệp vào hệ thống tiếp đất.
Giải pháp đúng là đầu dò cao áp vi sai: nó đo hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ mà không cần điểm nào trong hai điểm ấy ở điện thế đất, nên không tạo đường dẫn sự cố.
Que đo điện áp cao Keysight N2790A là ví dụ điển hình: băng thông 100 MHz, đo được tới 1.400 V vi sai và chịu được tới 1.000 V điện áp chế độ chung, tỉ số nén chế độ chung lớn hơn 50 dB tại 1 MHz, với hai mức suy giảm 50:1 và 500:1. Đầu dò bắt chính xác được các sườn quá độ nhanh tới 3,5 ns.
Ba con số đó nên đọc cùng nhau: băng thông quyết định bạn có thấy được sườn thật hay không; giới hạn điện áp chế độ chung quyết định đầu dò có sống sót ở vị trí định kẹp hay không; và tỉ số nén chế độ chung quyết định phần điện áp chế độ chung có rò vào kết quả hay không — với nửa cầu chuyển mạch nhanh, đây mới là thông số hay bị bỏ qua nhất.
Khi cần dải điện áp rộng hơn, đầu dò vi sai điện áp cao Keysight N2891A phục vụ cùng nhóm ứng dụng. Về phía dòng, que đo dòng AC/DC Keysight N2893A băng thông 100 MHz, dải 15 A là cặp đôi thường đi kèm — băng thông hai đầu dò nên tương đương, vì kênh chậm hơn quyết định chất lượng của tích số.
IEC 61010-031 và ý nghĩa thực sự của nhãn CAT
Ràng buộc an toàn cho đầu dò được quy định trong IEC 61010-031, tiêu chuẩn về yêu cầu an toàn cho cụm đầu dò cầm tay và thao tác bằng tay dùng trong thử nghiệm và đo lường điện. Bản hiện hành là ấn bản thứ ba năm 2022, thay thế ấn bản thứ hai năm 2015 và Sửa đổi 1:2018. Hai thay đổi trong ấn bản này ảnh hưởng trực tiếp tới cách đọc nhãn đầu dò.
Ngưỡng “điện áp nguy hiểm” đã hạ xuống. Điện áp vượt quá 30 V hiệu dụng, 42,4 V đỉnh hoặc 60 V một chiều nay được coi là nguy hiểm; ngưỡng cũ là 33 V hiệu dụng, 46,7 V đỉnh và 70 V một chiều. Thay đổi này kéo một số mạch điện áp thấp — ví dụ bus 48 V trong viễn thông và xe điện nhẹ — vào phạm vi phải xử lý như mạch nguy hiểm.
Danh mục đo loại I đã bị bỏ tên gọi. Thay vì ghi “MEASUREMENT CATEGORY I”, tiêu chuẩn nay dùng cách diễn đạt “không được định mức cho phép đo thuộc danh mục đo II, III hoặc IV” — buộc người dùng đọc nhãn theo hướng loại trừ, và loại bỏ hiểu nhầm rằng CAT I là một mức bảo vệ thấp.
Tiêu chuẩn cũng phân loại cụm đầu dò theo kiểu: kiểu A là loại không suy giảm, định mức nối trực tiếp vào điện áp vượt các ngưỡng trên nhưng không quá 63 kV; kiểu D là loại có suy giảm hoặc xử lý tín hiệu khác, chỉ định mức cho điện áp không vượt các ngưỡng đó và phù hợp với dòng trên 8 A.
Điều cần nhớ khi mua sắm: định mức điện áp trên thân đầu dò luôn phải đọc kèm danh mục đo và vị trí bạn định kẹp. Một đầu dò ghi 1.000 V nhưng không có định mức CAT III thì không dùng được ở tủ phân phối, dù con số điện áp nhìn có vẻ đủ.
Chọn máy hiện sóng Keysight cho đo tổn hao chuyển mạch
Máy hiện sóng Keysight MSOX3104G là cấu hình cân đối cho công việc này: băng thông 1 GHz với 4 kênh tương tự và 16 kênh số, tốc độ lấy mẫu 5 GSa/s, bộ nhớ 4 Mpts và bộ biến đổi 8 bit.
Bốn kênh tương tự là con số tối thiểu thực dụng: một kênh cho điện áp khóa, một cho dòng khóa, một cho tín hiệu điều khiển cổng, và một cho điện áp ra hoặc dòng cuộn cảm. Mười sáu kênh số cho phép bắt đồng thời tín hiệu điều khiển và trạng thái từ vi điều khiển — hữu ích khi cần truy vết vì sao bộ điều khiển đổi chế độ tại đúng chu kỳ gây sự cố.
Tốc độ cập nhật 1.000.000 dạng sóng mỗi giây đáng giá hơn vẻ ngoài của con số: sự kiện gây hỏng khóa thường là những chu kỳ bất thường hiếm gặp giữa hàng triệu chu kỳ bình thường. Khi bài toán nhẹ hơn về băng thông, máy hiện sóng Keysight DSOX3054G cùng dòng là bước xuống hợp lý mà vẫn giữ bốn kênh tương tự.
Về đo hiệu suất tổng thể của mạch — phép đo có bẫy sai số riêng, rất khác với đo tổn hao trên từng khóa — bài Đo hiệu suất DC-DC: bẫy sai số khi đo đồng thời đầu vào và đầu ra phân tích chi tiết hơn.
Kết luận
Ba việc quyết định chất lượng của một phép đo tổn hao chuyển mạch, và không việc nào nằm ở chỗ chọn máy hiện sóng đắt hơn: khử lệch thời gian giữa kênh điện áp và kênh dòng trước mỗi chiến dịch đo; dùng đầu dò vi sai thay vì thả nổi vỏ máy; và đọc định mức đầu dò theo cả điện áp lẫn danh mục đo theo IEC 61010-031 trước khi kẹp vào mạch.
Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025 cho cả máy hiện sóng lẫn đầu dò. Để được tư vấn cấu hình đo nguồn xung hoặc đặt lịch hiệu chuẩn định kỳ, liên hệ hotline 0908 173 345.
