本教程将展示如何使用Moku:Go 的示波器、频谱分析仪和可编程电源功能，配合Texas Instrument TPS63802EVM 转换器评估模块，来确认理想工作条件下的重要规格参数。这在开发新产品中非常有用，因为 Moku:Go 能快速配置满足所需的电源条件，同时分析输出特征，以保证被测模块可以在您的系统中工作。

Moku:Go

Moku:Go 将 8 种实验仪器整合为一台高性能设备，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。

简介

开关电源转换器是非常常见的电子系统，具有多种安装和实现方式。因此，对需要判断哪种转换器最适合其应用的设计人员来说，拥有一组标准计量来评估转换器的质量至关重要。Moku:Go 是一款电子设计人员理想的测试和测量设备。它将多种设备集成到同一环境中，可以实现快速的电路开发、测试和验证。

数据表对判断相似类型的转换器很有帮助，但这些数据表不一定显示您理想的运行条件。这就需要评估模块（EVM）的帮助，可以轻松配合 Moku:Go 来表现电路特性。在使用过程中，首先要将转换效率和负载调整率等关键测量值和数据表进行对比，以保证 EVM 正常工作。这份应用说明的目的就是为您展示如何快速设置Moku:Go、直流转换器 EVM 和电子直流附在，以确认常见的转换器特征。

实验设置

组件

• Moku:Go （M2 型号）
  
• TPS63802EVM（转换器评估模块）
  
• 科睿（Korad）电子负载
  

 

本实验教程的目标是使用 Moku:Go 作为示波器、电源和频谱分析仪来确认 TPS63802 升降压转换器的关键参数。以下是通过 Moku:Go 和电子直流负载来设置 EVM 面板的步骤：

 

1. 用电子负载和Moku:Go设置EVM

首先，将Moku:Go的PPSU3（5V/1A）电源在J1处与EVM的V输入（Vin）和接地引脚（GND）相连，将EVM的V输出（VOUT）和接地引脚在J2处于直流负载相连。这里我已经将直流负载设置为恒定电阻（CR）模式，R负载=10 Ω。

图 1：Moku:Go 完整测试设置

该型号 EVM 有多种操作模式。在开始测试前，将JP1 设置为脉冲宽度调制/脉冲频率调制（PWM/PFM）模式，令JP3 检测V输出。由于电路板（PCB）上选择了 R1 和R2 值，所以我们将 EVM设置为恒定的3.3V 输出。

接下来，将Moku:Go的电源设置为4V和1A。

图2：Moku:Go的PPSU设置

最后，将JP2处的短路跳线调整到“开”（ON）位置，启动面板。要确认EVM正常运行，请查看Moku:Go的电源监控器和直流负载监控器，检查在给定测试条件下的电压和预期的3.3V相差多少。

图 3：PPSU 和负载设置

 

测试流程

 

1. 变换效率

在缺乏能同时监控输入和输出功率的4 通道示波器时，测量变换效率可能会非常繁杂冗长。Moku:Go 为这个问题提供了一个 2通道解决方案。它的示波器为电源配备了内置的电压和电流监控器，可以与两个BNC 输入一同使用，以快速测量变换效率。如果MATLAB 或 Python 应用程序接口能读取 Moku:Go模拟前端的电源传感器数据和电压输入数据，我们也可以利用程序进行自动测量。这里将介绍手动测量变换效率的方法。

本科实验室中典型的效率测量方法是通过类似如下的表格进行手动测量，在其中记录不同输出电流下的P输入（Pin）和 P输出（Pout）数据。Moku:Go 示波器中的数学通道可以更轻松地完成这些测量，其函数编辑器功能可以将两个通道作为输入变量A 和 B 直接导入方程。直接通过公式编辑器将使用并联电阻的输出功率方程输入到软件中即可，在这里 R并联=0.5 Ω。

图 4：变换效率测量的示波器设置

表 1：不同负载和V输入下的变换效率

通过在Excel 中绘制表 1 并与 Texas Instruments（TI）数据表中的 TPS63802 效率图表进行对比，这些结果的准确率在 4-5%之间。其误差可归因为本次测试中 Moku:Go 使用的长电线和直流负载。值得注意的是，这台升降压调节器在不同工作模式和不同输出电流下的变换效率也有差异。在整个输出电流范围内，升降压模式（V 输入=3.3 V）的平均效率最高，而降压模式（V输入=5.0 V）和升压模式（V输入=3.0 V）分别在高电流和低电流下效率最高。

图5：手动输入数据的效率图表对比

 

1. 负载调节和负载瞬态响应

另一个衡量开关稳定器质量的重要指标就是在输出电流发生变化时维持恒定输出电压的能力，叫做负载调整率。

其中 Vnl 是空载条件下的电压，Vfl 是满载条件下的电压。由于本实验要将规格参数直接与数据表对比，所以为针对负载调整率使用相同的测试参数非常重要，这里 V输入=5 V，V 输出 = 3.3 V，而 I 输出在 11 mA（空载）到1A（满载）之间。在下方图 6的负载瞬态图中，空载和满载条件下的输出波纹差异很大。取输出波纹的平均值可以得到准确的Vfl 和 Vnl，但更好还是分别测量这些数据。由于波纹频率与PWM或 PFM模式的开关频率有关，用户还可以将 TI数据表中的预期输出波纹频率与通过 Moku:Go测量得到的实际波纹频率进行对比。

图 6：使用 Moku:Go 测量的TPS63802 负载瞬态响应

图 7：TI 数据表给出的TPS63802 负载瞬态响应

 

两幅负载瞬态响应的图像比较相似，两者都在轻负载运行期间显示出显著的波纹，随后在满载时输出波纹明显 改善。这是由于 TPS63802 的 PWM/PFM 特性会在轻负载时启动脉冲频率调制（PFM）模式，从而提高效 率。为确保负载调整率的测量准确，有必要仔细查看脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）模式下的输出电压波形。

下方图 8 显示出轻负载下（I输出= 100 mA）PFM 模式启动时的输出波纹电压。

图 8：PFM 模式下的输出波纹电压

 

该波纹在 110 mV 时的 Vpp 非常大，但输出平均值却很接近预期的 3.3 V，而 Vnl= 3.313 V。此外值得注意的是 135 kHz 的波纹频率，它与 TPS63802 数据表中 PFM 模式低负载下运行时的开关频率相匹配。

图 9：典型感应器脉冲频率 – 输出电流（PFM）

接下来，查看下方图 10 中 PWM 模式启动时满载（I 输出= 1 A）的输出波纹。

图 10：PWM 模式下的输出波纹电压

这里的平均值几乎正好是预期的 3.3 V，Vfl = 3.296 V，而我们的波纹在 PWM 运行期间显著降低到 17 mV。波纹频率约为 1.8 MHz，同样与 TPS63802 数据表中预期的开关频率匹配。

表 2：典型的PWM 开关频率（降压模式）

 

使用图 8 和图10 中的平均值可得到以下负载调整率：

再次与启动 PWM/PFM模式的降压模式（低）下预期负载调整率相符。

图11：负载调整率（PFM/PWM）

关于负载瞬态图还有一件值得注意的事。如下方图 12 所示，在查看瞬态期间的输出电压波形时：

图 12：PFM向PWM 模式的瞬态响应

 

由于 Moku:Go 的 30 MHz 带宽和 125MSa/s 采样率，可以很容易看出TPS63802 模块对输出电流变化和启动PWM模式的反应时间。使用屏幕上的光标将负载瞬变开始的位置设置为参考，再将另一个光标放在 PWM 模式启动时的峰值。图 13 显示，一旦电流超过 100 mA 的阈值，模块从 PFM 转换为 PWM 模式大约需要 39µs。

 

2. PWM 和 PFM 开关模式的总谐波失真（THD）对比

现在切换到频谱分析仪，查看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快速傅里叶变换（FFT），即便在较高频率下也能保证更大分辨率带宽（RBW）和采样率。

电压波形质量的标准测量参数是总谐波失真（THD），定义如下：

其中 V2n,rms 是第n 次谐波的有效电压（RMS 电压），而 Vfund,rms 是基本频率的有效电压。Moku:Go 具有用户可调节的分辨率带宽和峰值跟踪智能光标，为用户提供了一种极其简单的方法来获得测量结果。

此测量的测试设置为 V输入= 4.2 V，V输出 = 3.3 V，I输出= 100 mA，其中一个示波器探针与输出电压传感器节点相连。在这个低电流下，转换器将在启动PFM 的情况下以降压模式运行。下方的图 14 显示出以经调整的2.5kHz 分辨率带宽启用的峰值跟踪光标，间隔为1 MHz。Y 轴单位从普遍使用的 dBm 转化为 Vrms，使计算更为便捷。

图 13：最高到第 5 次谐波的THD 测量值，THD = 5.2%

基波电压 Vfund,rms=4.750 V，使转换器在降压模式下运行时的 THD 为 5.2%。此外还存在每125 kHz 的谐波，与我们在 PFM 模式下负载瞬态测试期间看到的波纹相匹配。

现在将I输出改为 500 mA，这时 PWM 模式会启动，观察 THD 的变化。

图 14：最高到第 4 次谐波的THD 测量值，THD = 5.1%

转换器输出的 THD 基本没有变化，但输出频谱的内容却发生了改变。我们现在看到第 2 次谐波峰值更高，随后每 250 kHz 出现一个峰值，表明转换器正在 PWM 模式下运行。这与负载瞬变组合在一起是很好的实验内容， 可以表现输出波纹和幅度与第2 次谐波的幅度和谐波频率密切相关。

总结

在本次应用中，使用TPS63802EVM 从 Moku:Go 和 TPS63802 数据表得到的测量结果成功匹配，表明Moku:Go 能够作为示波器和可编程电源使用，在多种运行条件下快速反馈升降压转换器的特征。结合集成可编程电源与示波器功能，我们能快速改变EVM 的改变 EVM 的运行条件，并获得详细的输出图表和数据，从而确认变换效率与负载调整率的测量结果。这使设计师能够快速测试并验证初步的集成电路（IC），或者使用Moku:Go 由软件定义的仪表装置来确认自己设计产品的特征。

Moku:Go 的优势

 

针对教育工作者和实验室操作人员

有效利用实验室空间和时间

轻松实现统一的仪器配置

专注于电子设备而非仪器设置

实现实验室助教时间更大化 个人实验室与个人学习

通过屏幕截图简化评估评分

 

针对学生

配合学生个人进度的个性化实验室，以加强理解和记忆

便携设备，在家中或校园随时随地打造实验环境，甚至远程协作

熟悉的 Windows 或 macOS 笔记本电脑环境，匹配专业级实验仪器