開(kāi)關(guān)電源的最大效率驗證和檢定
為保證在可接受的折衷方案下達到最佳效率，驗證和檢定開(kāi)關(guān)電源（SMPS）的設計是十分重要的�？赏ㄟ^(guò)下列方式完成：測定開(kāi)關(guān)功率損耗和磁功率損耗來(lái)確定電源效率；測定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線(xiàn)路上的開(kāi)關(guān)電源的作用。
電力系統的最大能量損耗通常發(fā)生在A(yíng)C/DC和DC/DC電源的功率轉換期間�；旧厦總�(gè)設計都會(huì )優(yōu)先考慮節能，因此轉換功率在80%到90%之間的開(kāi)關(guān)電源成為主流。理想狀態(tài)下，所有電源都按照數學(xué)模型工作。然而，在現實(shí)世界中卻存在著(zhù)各種問(wèn)題，例如：部件存在缺陷、負載變化不定、線(xiàn)路功率失真和環(huán)境頻繁變化。為保證在可接受的折衷方案下取得最佳效率，關(guān)鍵是要驗證和檢定開(kāi)關(guān)電源的設計。要完成這些任務(wù)，通常需要測定開(kāi)關(guān)功率損耗和磁功率損耗來(lái)確定開(kāi)關(guān)電源的效率，還要測定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線(xiàn)路上的開(kāi)關(guān)電源的作用。
測量開(kāi)關(guān)損耗
開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)晶體管切換速度快，最大程度地減少了能量損耗。對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)晶體管在開(kāi)或關(guān)狀態(tài)下少量散熱時(shí)損耗的能量最多。在切換期間發(fā)生能量損耗，這是因為儲存在二極管的電能以及儲存在寄生電感和寄生電容的電能被釋放出來(lái)�！瓣P(guān)斷損耗”是指設備從開(kāi)到關(guān)過(guò)程中的損耗�！瓣P(guān)斷損耗”同樣也指開(kāi)關(guān)設備從關(guān)到開(kāi)過(guò)程中的能量損耗。下面是計算切換過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗的公式：
式中：ETRANSITION指開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗；vA(t)指開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)電壓；iA(t)指開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)電流；t1指切換完成的時(shí)間；t0指切換開(kāi)始的時(shí)間。
整個(gè)開(kāi)關(guān)周期發(fā)生的總能量損耗由接通開(kāi)關(guān)損耗、關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗構成。下面是總損耗的計算公式：ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中：ELOSS指開(kāi)關(guān)周期內晶體管的能量損耗；ETURN-ON和ETURN-OFF均為開(kāi)關(guān)損耗；EON指導電損耗。
分析上述損耗對檢定電源、估計其效率是必要的，可采用示波器測開(kāi)關(guān)損耗（圖1）。使用帶有專(zhuān)業(yè)功率分析軟件的示波器，可測出多開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗，從而確定設備在不同時(shí)間的特性。從測量統計數據中，可觀(guān)察到測量結果的變化情況。要準確的測出接通損耗和關(guān)斷損耗是一項挑戰，因為損耗只在短時(shí)間內發(fā)生，在開(kāi)關(guān)周期剩下的時(shí)間里是極少出現的。測定上述損耗需要對電壓波形和電流波形進(jìn)行精確的計時(shí)，而且測量系統的偏差要達到最小。
圖1 帶有專(zhuān)業(yè)功率分析軟件的示波器
圖1 帶有專(zhuān)業(yè)功率分析軟件的示波器可顯示多開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗，從而確定設備在不同時(shí)間的特性 圖2 可用帶有功率分析軟件的示波器功率損耗測單繞組電感器的功率損耗。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍色軌跡）是用非插入式電流探針測得的通過(guò)電感器的電流。功率測量軟件自動(dòng)計算功率損耗，并以圖的形式顯示出來(lái)（278.1 mW）
測量磁功率損耗
電感器和互感器通常功率損耗都比較小，常被開(kāi)關(guān)電源用來(lái)濾波和改變電壓電平。電感器的阻抗隨頻率的升高而增大，阻止的高頻率比低頻率多。這種特性對電源輸入輸出的濾波有利。
互感器將初級繞組的交流電壓和交流電流耦合到次級繞組，使電壓或電流（其中一種）的信號電平增大或減小�；ジ衅鞒跫壙山邮�120V的電壓，通過(guò)按比例增大次級的電流，使次級的電壓降到12V�；ジ衅鞯某跫壓痛渭壊捎玫牟皇请姎膺B接，在電路元件之間還是需要隔離。
磁功率損耗影響電源的效率、可靠性和熱性能。與磁性元件相關(guān)的功率損耗有兩種：鐵芯的鐵耗和銅繞組的銅耗。磁損耗等于鐵耗和銅耗之和。其中，鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，銅耗則是銅繞組線(xiàn)的電阻引起的。
從磁芯賣(mài)方提供的數據表和帶功率測量軟件的示波器得出的結果可推導出總功率損耗和磁芯損耗。然后，通過(guò)這兩個(gè)值計算出銅耗。知道功率損耗元件后，可弄清出磁性元件產(chǎn)生功率損耗的原因。
磁性元件總功率損耗的計算方法部分取決于被測元件的類(lèi)型。被測設備可為單繞組電感器、多繞組電感器或互感器。圖2所示為單繞組電感器的測量結果。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍色軌跡）是用非插入式電流探針測得的通過(guò)電感器的電流。功率測量軟件自動(dòng)計算功率損耗，并以圖的形式顯示出來(lái)（278.1 mW）。
圖2 單繞組電感器的測量結果
為達到最佳性能，設計者一般利用從廠(chǎng)商處獲得的磁滯曲線(xiàn)來(lái)指定磁性元件。在特性曲線(xiàn)中規定了磁性元件磁芯材料的性能范圍。為保證運行過(guò)程中工作電壓和工作電流保持在磁滯曲線(xiàn)的線(xiàn)性區域內，有必要對開(kāi)關(guān)電源內的磁性元件進(jìn)行檢定。采用專(zhuān)用功率測量軟件，可以大大的簡(jiǎn)化用示波器測定磁性的步驟。很多時(shí)候，只需測出電壓和勵磁電流，然后由軟件來(lái)完成磁性測量的計算。磁性測量可在單繞組電感器上進(jìn)行，也可在配有初級電流源和次級電流源的互感器上進(jìn)行。
圖3 本圖所示為互感器的磁滯曲線(xiàn)圖，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍色軌跡）是初級電流，通道3（金色軌跡）是次級電流。軟件根據來(lái)自通道2和通道3的數據來(lái)確定勵磁電流
圖3 互感器的磁滯曲線(xiàn)圖
圖4 在沒(méi)有兩根探針偏斜校正的情況下測出的結果（5.141W）
在圖3中，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍色軌跡）是初級電流，通道3（金色軌跡）是次級電流。軟件根據來(lái)自通道2和通道3的數據來(lái)確定勵磁電流。某些功率測量軟件還能精確地繪制磁性元件的磁滯曲線(xiàn)圖，并檢定其特性。在軟件繪制磁滯曲線(xiàn)圖前，必須先輸入磁芯的圈數、磁長(cháng)度和橫截面積。
探測考慮因素
采用示波器測量功率的話(huà)，必須測量MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）開(kāi)關(guān)設備漏極到源極節點(diǎn)的電壓和電流或IGBT（絕緣柵雙極晶體管）集電極到發(fā)射極節點(diǎn)的電壓和電流。這就需要高壓差分探針和電流探針。每個(gè)探針都有各自的特性傳播時(shí)延。兩個(gè)時(shí)延之間的差或偏移會(huì )造成功率測量不準、定時(shí)測量失真。
了解探針傳播時(shí)延對最大峰值功率和面積測量的影響具有重要的意義。畢竟，功率是電壓和電流作用的產(chǎn)物。如果兩個(gè)相乘變量不是完全時(shí)序一致，結果則是錯誤的。探針沒(méi)有正確地進(jìn)行偏斜校正時(shí)，測量結果（如開(kāi)關(guān)損耗）的準確性會(huì )變差。例如，圖4顯示的是在沒(méi)有先對兩根探針進(jìn)行偏斜校正的情況下工程師測出的結果（5.141W）。圖5中所示結果則證明了探針偏斜校正的重要性。本例表明偏移會(huì )造成5.3%的測量誤差。進(jìn)行準確的偏斜校正會(huì )減小峰-峰功率損耗的測量誤差。
有些功率測量軟件可自動(dòng)對選中的探針組合進(jìn)行偏斜校正。它通過(guò)有源信號調整電壓通道和電流通道之間的時(shí)延，從而消除在探針之間產(chǎn)生的傳播時(shí)延。靜態(tài)偏斜校正（如可用）功能實(shí)現的基礎是特定電壓探針和電流探針具有恒定而重復的傳播時(shí)延。靜態(tài)偏斜校正功能根據選定探針的傳播時(shí)間嵌入表自動(dòng)調整選定電壓通道和電流通道之間的時(shí)延。
此外，差分探針和電流探針可存在小幅偏差。由于偏差會(huì )影響精確度，開(kāi)始測量之前應該先消除偏差。一些探針本身植入了自動(dòng)消除偏差的方法。這種探針與示波器一起使用，可消除信號通道中的任何直流偏移誤差。電流探針互感器的磁芯中可產(chǎn)生大量輸入電流，通過(guò)消磁可除去殘余的全部直流磁通。
電力線(xiàn)路
對AC/DC電源而言，電力線(xiàn)路測量（如電能質(zhì)量和線(xiàn)路諧波等）對檢定開(kāi)關(guān)電源的相互作用及其使用環(huán)境有重要的意義。實(shí)際上，電力線(xiàn)路總是存在失真和雜質(zhì)，所以從未供應過(guò)理想的正弦波。而且，開(kāi)關(guān)電源對源呈現出非線(xiàn)性負載的特性，因此，電壓波形和電流波形是不理想的。開(kāi)關(guān)電源會(huì )吸引輸入周期某部分的電流，使輸入電流波形生成諧波。確定這些失真因素的影響是電力工程設計中的重要組成部分。
圖5 在對圖4中的信號進(jìn)行偏斜校正后，峰值振幅增大到5.415W或5.3%以上
圖6 顯示的是電源負載電流的諧波分析結果。
軟件自動(dòng)計算電流諧波，確定與基本值和均方根值相對的總諧波失真度（THD）
為了確定電力線(xiàn)路的功率消耗和功率失真，要測量輸入階段的電能質(zhì)量。工程師傳統上采用功率表和諧波分析器來(lái)測量電能質(zhì)量，而帶功率測量軟件的數字示波器成為一項更好的選擇。
示波器有許多優(yōu)點(diǎn)。測試儀器必須最高能捕捉到諧波元件基波的第50次諧波。根據適用的本地標準，電力線(xiàn)路頻率通常是50Hz或60Hz。有時(shí)應用于軍事和航空電子領(lǐng)域時(shí)，線(xiàn)路頻率可為400 Hz。信號畸變可包含更好的頻率，具有高取樣速率的現代示波器能捕捉大分辨率的快速變化事件。相比之下，常規功率表因反應較慢，會(huì )忽略信號的細節。示波器的記錄長(cháng)度基本上足以采集完整的周期，即便是在高取樣分辨率時(shí)。
電流諧波
開(kāi)關(guān)電源容易產(chǎn)生以異次序為主的諧波，異次序諧波能返回電網(wǎng)，隨著(zhù)越來(lái)越多的開(kāi)關(guān)電源接到電網(wǎng)中，這種效應開(kāi)始累積。舉例來(lái)說(shuō)，當辦公室新添更多的臺式電腦時(shí)，傳回電網(wǎng)的諧波失真總比例會(huì )增大。失真造成熱量在電網(wǎng)的電纜和變壓器中聚積，所以最大程度的減少諧波就變得尤為重要。EN/IEC61000-3-2等規范性標準規定了特殊非線(xiàn)性負載的電能質(zhì)量。
采用帶功率測量軟件的示波器，諧波分析就跟普通的波形測量一樣簡(jiǎn)單。 圖6顯示的是電源負載電流的諧波分析結果。在這種情況下，軟件自動(dòng)計算電流諧波并確定重要的值，如與基本值和均方根（RMS）值相對的總諧波失真度（THD）。上述測量有助于分析其是否符合EN/IEC61000-3-2和軍事標準1399等標準。部分軟件會(huì )自動(dòng)將測量結果與標準進(jìn)行比較，以便快速檢查設備是否合格。
幾乎每種電子產(chǎn)品的組成中都有電源，開(kāi)關(guān)電源因高達90%的節能效率，已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流。為了驗證和檢定開(kāi)關(guān)電源的設計以確保其能在實(shí)際環(huán)境中發(fā)揮良好的功能，常需測量開(kāi)關(guān)功率損耗、磁功率損耗以及電能質(zhì)量和電力諧波。雖然電源測量是復雜的，具有適當的探測工具和自動(dòng)化測量軟件的示波器可使測量變得簡(jiǎn)單。
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