Messen des RDS(on) mit High-Definition-Oszilloskopen

Ihre Anforderung

Um den R_DS(on) eines MOSFET im Inverse Mode zu berechnen, muss man den Drain-Strom und die Drain-Source-Spannung messen. Es ist jedoch aufgrund der hohen Drain-Source-Spannung im Off-Zustand und der Spitzen beim Schalten schwierig, die relativ geringe Drain-Source-Spannung im On-Zustand mit einem Standardoszilloskop, typischerweise mit 8-bit-Auflösung, zu messen. Darüber hinaus können eine schlechte Tastkopfkompensation und inkorrektes Kontaktieren das Signal signifikant verzerren. Das führt zu falschen Messergebnissen, sogar wenn das Oszilloskop die erforderliche Messdynamik bietet.

Messtechnische Lösung

Mit dem R&S^®RTO/R&S^®RTE digitalen Oszilloskop, der R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 Softwareoption und der korrekten Sondierung ist es möglich, die Drain-Source-Spannung für RDS(on) unter hohen Messdynamikbedingungen zu messen. Dank digitaler Tiefpassfilterung wird eine vertikale Auflösung von bis zu 16 bit erreicht. Dabei wird das Rauschen reduziert und der Signal-Rauschabstand vergrößert. Der Benutzer kann die Bandbreite (auswählbare Bänder) von 1 GHz bis 10 kHz (10 bit bis 16 bit) begrenzen. Dies macht es möglich, kleine Signaldetails wie die Drain-Source-Spannung in Schaltnetzteilanwendungen zu sehen, die andernfalls im Rauschen untergingen.

Applikation

Die richtige Kontaktierungstechnik und Tastkopfkompensation für exakte Messungen

Beim Messen von Signalen mit hochfrequenten Anteilen besteht ein wesentlicher Aspekt für das Kontaktieren darin, die durch die Sondierungsanschlüsse gebildete "Schleife" (Signalstift und Masseverbindung) so kurz wie möglich zu halten. Die federnde Messspitze des R&S^®RT-ZP10 passiven Tastkopfs bietet zusammen mit den Massekontakt-Federn eine sichere Kontaktierung mit minimalem Rauschen und minimaler Störeinkopplung auf dem gemessenen Signal. Daher ist es möglich, die MOSFET-Pins und das Gehäuse direkt zu sondieren. Die exakte Tastkopfkompensation ist auch für hochauflösende Messungen sehr wichtig. Ein schlecht kompensierter Tastkopf produziert Messfehler, die zu ungenauen Messwerten führen. Dies kann auch die hier vorgeschlagenen differenziellen Messungen beeinflussen. Für Messungen, bei denen keiner der MOSFET-Pins geerdet ist, muss ein aktiver differenzieller Tastkopf verwendet werden. Der R&S^®RT-ZD10 differenzielle Tastkopf (1 GHz, aktiv) erweist sich in diesem Fall als außerordentlich nützlich, da er über ein zusätzliches 10:1-Dämpfungsglied verfügt, das den Spannungsbereich des Tastkopfs auf 70 V DC/46 V AC (Spitze) erweitert.

Analysieren sehr kleiner Signaldetails im High-Definition-Modus

Die R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 Softwareoptionen bieten den Benutzern eine sehr flexible Möglichkeit, die Auflösung eines R&S^®RTO/R&S®RTE digitalen Oszilloskops zu steigern. Die Softwareoption verwendet digitale Filterung, um die Auflösung des Oszilloskops zu erhöhen. Die maximale Auflösung liegt bei 16 bit. Dies ermöglicht eine detaillierte Analyse, auch unter extrem hohen Messdynamikbedingungen. Der High-Definition-Modus kann schnell und in nur wenigen Schritten eingerichtet werden:

• Drücken Sie die "Mode"-Schaltfläche
• Drücken Sie im Reiter "Acquisition" auf "Option Mode" und wählen Sie "High definition"
• Wählen Sie die benötigte Bandbreite. Die resultierende Auflösung wird automatisch angezeigt

Die gewählte Bandbreite sollte so niedrig wie nötig sein, um eine genügende Auflösung zu erreichen, aber so hoch wie möglich, um Signalverzerrungen aufgrund der Filterung zu minimieren. Die ideale Messbandbreite muss von Fall zu Fall bestimmt werden.

Vermeiden von Offset-Problemen beim Berechnen von RDS(on)

Das Messen bei solch unterschiedlichen Spannungspegeln erfordert zusätzliche Schritte, um ein korrektes Ergebnis zu erhalten. Die Offset-Genauigkeit von Oszilloskopen reicht nicht länger aus, um einfach die Drain-Source-Spannung über dem MOSFET durch den Drain-Strom zu teilen, um R_DS(on) zu berechnen. Und beim Einsatz von Rogowski-Tastköpfen für die Messung des Stroms über den Drain-Pin des MOSFET kann nur der AC-Anteil des Drain-Stroms gemessen werden. Die resultierende Strommessung am Oszilloskop wird daher einen DC-Offset aufweisen.

Dieses Problem lässt sich lösen, indem man von der Tatsache Gebrauch macht, dass der Drain-Strom eine konstante oder nahezu konstante Steigung über ein gewisses Zeitintervall aufweist, während sich der MOSFET im Zustand On befindet. Deshalb bietet es sich an, eine differenzielle Methode für die Berechnung des R_DS(on) im High-Definition-Modus anzuwenden:

• Stellen Sie die vertikale Skalierung des Oszilloskops so ein, dass die maximale Drain-Source-Spannung inklusive Spitzen den Eingangsspannungsbereich des Oszilloskops nicht überschreitet. Andernfalls verschlechtern Übersteuerungs- und Sättigungseffekte die Genauigkeit der Drain-Source-Spannungsmessung
• Verwenden Sie den Zoom-Modus, um die Drain-Source-Spannung so anzuzeigen, dass die Steigung der Drain-Source-Spannung deutlich sichtbar ist
• Aktivieren Sie die Mittelwertbildung der Messkurven, um ungewünschtes Rauschen oder Störungen zu beseitigen
• Messen Sie die Steigung der Drain-Source-Spannung, um Δu_D zu erhalten
• Messen Sie die Steigung des MOSFET-Drain-Stroms im gleichen Zeitintervall wie Δu_D, um Δi_D zu erhalten
• Berechnen Sie R_DS(on), indem Sie Δu_D durch Δi_D teilen

Der Screenshot zeigt die Messung.

Fazit

Die R&S^®RTO-K17/R&S^®RTE-K17 Softwareoptionen ermöglichen es, die Signaldetails zu messen, die im Rauschen eines herkömmlichen 8-bit-Oszilloskops untergingen. Man kann Parameter, wie den R_DS(on) bei Schaltnetzteilanwendungen messen, in denen das gemessene Signal eine hohe Messdynamik aufweist. Die richtigen Kontaktierungstechniken und die exakte Tastkopfkompensation müssen sorgfältig durchgeführt werden, da beide zu signifikanten Fehlern im Messergebnis führen können. Es ist empfehlenswert, das Ergebnis von Messungen mit solch einer hohen Dynamik zu verifizieren, indem man die Messung unter verschiedenen Bedingungen durchführt, um sicherzustellen, dass die Messung exakt ist.