淺析開(kāi)關(guān)電源的測量中安全性解決方案
電源幾乎對于每種外接電源的電子產(chǎn)品都必不可少，開(kāi)關(guān)電源系統(SMPS)已成為數字計算、網(wǎng)絡(luò )、通信系統中的主流結構。開(kāi)關(guān)電源的性能(或者故障)就可能對一個(gè)昂貴的大型系統產(chǎn)生重要影響。
前言
電源幾乎對于每種外接電源的電子產(chǎn)品都必不可少，開(kāi)關(guān)電源系統(SMPS)已成為數字計算、網(wǎng)絡(luò )、通信系統中的主流結構。開(kāi)關(guān)電源的性能(或者故障)就可能對一個(gè)昂貴的大型系統產(chǎn)生重要影響。
要確保即將實(shí)現的SMPS設計可靠性、穩定性、兼容性、安全性，測量是唯一的辦法。SMPS測量分為三個(gè)主要部分：有源器件測量、無(wú)源器件測量(主要是磁性元件)以及電源質(zhì)量測試。有些測量可能要面對浮動(dòng)電壓和強電流;有些測量需要大量數學(xué)分析，才能得到有意義的結果。電源測量可能很復雜,特別是開(kāi)關(guān)電源系統測量中安全技術(shù)為引人注目什么吶?應先從當今開(kāi)關(guān)電源(SMPS)技術(shù)發(fā)展趨勢與開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計中的挑戰說(shuō)起。
開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢的特點(diǎn)是：效率越來(lái)越高;功率密度越來(lái)越高;瞬時(shí)負荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術(shù)及符合EN6100003-4A14標準。
開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計中面對提升開(kāi)關(guān)電源效率，降低開(kāi)關(guān)損耗;最大限度地降低磁性器件的功率損耗;需要更快的控制環(huán)路響應。必須提高開(kāi)關(guān)電源系統可靠性，要有海量數據分析并符合寬帶技術(shù)標準;需要簡(jiǎn)便易用、可靠的工具，以及定位問(wèn)題。
大多數現代系統中主流的直流電源體系結構是開(kāi)關(guān)電源系統，因為它能夠有效地應對變化負載。典型SMPS的電能“信號通路”包括無(wú)源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件(如電阻和線(xiàn)性晶體管)，而主要使用(理想情況下)無(wú)損耗的元器件：開(kāi)關(guān)晶體管、電容和磁性元件。
SMPS設備有一個(gè)控制部分，其中包括脈寬調節器、脈頻調節器以及反饋環(huán)路等�？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫�。圖1是簡(jiǎn)化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉換部分，包括有源器件、無(wú)源器件以及磁性元件。
圖1開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)化示意圖
SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導體開(kāi)關(guān)器件。這些器件開(kāi)關(guān)時(shí)間短，能承受不穩定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開(kāi)通還是斷開(kāi)狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開(kāi)關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對開(kāi)關(guān)器件的主要測量包括：開(kāi)關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區等。
開(kāi)關(guān)電源系統的安全測量
工業(yè)電源的安全測量應包括：測量高電壓和高電流，測量三相電電路，處理浮動(dòng)設備或具有不同接地的沒(méi)備，檢定數字控制電路，檢定功率電子器件的瞬時(shí)功率分析、波形分析、相位角及開(kāi)關(guān)損耗等均應符合行業(yè)標準和法定標準。
為什么不能使用傳統示波器測量
以交流供電的傳統示波器是以“地為參考點(diǎn)的測量”，其含義是：交流供電的示波器必須與地線(xiàn)相接，探頭的地線(xiàn)與示波器所有通道的參考點(diǎn)相連，從而接到地電位。而傳統交流供電示波器“差分浮地測量”危險!
我們測量的Vc-d=(Va-b+V地環(huán)路電壓)-V地環(huán)路電壓(共模)。
通過(guò)用切斷標準三頭AC插座地線(xiàn)的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線(xiàn)與地線(xiàn)的連接。將示波器從保護地線(xiàn)浮動(dòng)起來(lái)，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并可行，因為在建筑物的布線(xiàn)中其中線(xiàn)也許在某處已經(jīng)與地線(xiàn)相連。是不安全的測量方法，會(huì )帶來(lái)人身傷害和儀器和電路損壞!
不能使用傳統示波器測量技術(shù)的原因如下：
·分布電容和電感降對待測點(diǎn)帶來(lái)超過(guò)100pf的感性負載，可能造成電路損壞!
故不可用剪斷示波器接地線(xiàn)的方法迸行差分測量!也不可使用隔離變壓器進(jìn)行差分測量!
·分布電容和電感還可能帶來(lái)原本沒(méi)有的振鈴!見(jiàn)圖2(a)所示。
·示波器在沒(méi)有接地的情況下,其電磁兼容特性降達不到設計要求，可能干擾待測電路或受到空間電磁波的干擾，影響測量結果!
大多數示波器的”信號公共線(xiàn)”終端與保護性接地系統相連接，通常稱(chēng)之為“接地”。這樣做的結果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號都具有一個(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機殼，通過(guò)使交流電源設備電源線(xiàn)中的第三根導線(xiàn)接地線(xiàn)，并將探頭地線(xiàn)連到一個(gè)測試點(diǎn)上。這是一種不安全的測量行為。此行為會(huì )將儀器底盤(pán)(不再接地)的電壓提高為與探頭地線(xiàn)相連的測試點(diǎn)電壓相同。觸摸儀器的用戶(hù)就會(huì )成為接地的最短路徑。圖2(b)說(shuō)明了這種危險的情況。
圖2b中的V1是高于真實(shí)接地電壓的“偏置”電壓，而VMeas是待測電壓。根據被測單元(DUT)的不同，V1可能為數百伏，而VMeas則可能為幾分之一伏。以此方式浮動(dòng)機殼接地端會(huì )對用戶(hù)、DUT和儀器構成威脅。
此外,它違反了工業(yè)健康和安全規定，且獲得的測量結果也差。而且交流供電儀器在地面浮動(dòng)時(shí)會(huì )出現一個(gè)大的寄生電容。因此，浮動(dòng)測量將受到振蕩性的破壞，即圖2(a)所示的振鈴出現。
浮動(dòng)測量新方法的引入
所謂“浮動(dòng)”測量，即測量的兩個(gè)點(diǎn)都不處于接地電位，該測量也常稱(chēng)為差分測量。
“信號公共線(xiàn)”與地之間的電壓可能會(huì )升高到數百伏�！案�(dòng)”參考接地的示波器是通過(guò)使接地系統無(wú)效或使用隔離變壓器，將“信號公共線(xiàn)”從地面斷開(kāi)。為此需要通過(guò)具有內置隔離通道技術(shù)的TPS2000系列示波器,使得工程師和技術(shù)人員可以快速、準確、經(jīng)濟地進(jìn)行多通道隔離測量。
因為浮動(dòng)測量技術(shù)使機殼、機柜和連接器等儀器可接觸部件具有探頭地線(xiàn)連接點(diǎn)的電勢，而該技術(shù)是危險的，不僅是因為它升高了示波器上存在的電壓(操作人員可能會(huì )遭到電擊)，還因為它向示波器的電源變壓器絕緣體上累積了應力，雖然該應力不會(huì )立即引發(fā)故障，但是可能在將來(lái)引發(fā)危險的故障(電擊和火災)，即使將示波器恢復至正常地接地操作也無(wú)法挽回。這就有可能造成不僅浮動(dòng)參照接地的示波器很危險，而且會(huì )使測量方法不準確，即該電勢的誤差是由于在地線(xiàn)連接點(diǎn)處直接將示波器機殼的總電容與被測電路相連所致。于是又需采用安全放在第一位的隔離通道(LsoIatedChanneI)技術(shù)作為解決方案。
隔離通道技術(shù)
在當今使用的寬帶示波器系統中，最常用的隔離方法是雙路方法，將輸入信號分為兩個(gè)信號：低頻和高頻。該方法需要每個(gè)輸入通道都具有昂貴的光耦合器和寬帶線(xiàn)性變壓器。
使用創(chuàng )新的隔音技術(shù)，取消了雙路方法，而對每個(gè)從直流到示波器帶寬的輸入通道僅使用一個(gè)寬帶信號通路。通過(guò)該技術(shù)，可以提供第一批具有四個(gè)輸入(1solatedChannel)、低成本并使用電池供電的示波器，該電池可供示波器連續工作八個(gè)小時(shí)。對于需要進(jìn)行四通道隔離測量，并希望獲得由低成本并使用電池供電的示波器提供的性能和易用性的工程師和技術(shù)人員來(lái)講,選擇內置有隔離通道技術(shù)的TPS2000系列示波器是理想工具。
圖3將安全放在第一位的IsolatedChannel技術(shù)，可以快速、準確、經(jīng)濟地進(jìn)行多通道隔離測量
四隔離通道輸入體系結構向”正”輸入和”負基準”導線(xiàn)(包括外部觸發(fā)輸入)提供了真實(shí)且完整的通道間隔離。
電源控制電路(例如電機控制器、不間斷電源和工業(yè)設備)中的浮動(dòng)測量要求最為嚴格。在這些應用領(lǐng)域中，電壓和電流可能大到足夠對用戶(hù)和測試設備造成威脅。
要保證測量質(zhì)量，隔離通道技術(shù)是首選解決方案，并且該技術(shù)始終將安全放在第一位。如果存在較大的共模信號，能有效的通道與通道隔離將寄生效應的影響降到最低，測量系統的容量越小，那么它與環(huán)境的交互影響也就越小。完全隔離的電池供電儀器本身并不涉及接地問(wèn)題。每個(gè)探頭都具有一條與儀器底盤(pán)隔離的”負基準”導線(xiàn)，而不是使用一條固定的地線(xiàn)。
而且，所有輸入通道的“負基準”導線(xiàn)都彼此隔離。這是避免短路危險的最佳方法。它還在最大程度上降低了信號弱化阻抗，而該阻抗會(huì )影響單點(diǎn)接地儀器中的測量質(zhì)量。
無(wú)論使用電池電源還是通過(guò)交流電源適配器連接到交流電源，TPS2000系列示波器的輸入始終是浮動(dòng)的。因此，這些示波器與傳統示波器所體現的限制并不相同。傳統示波器側重于性能(帶寬，多功能性)，犧牲了進(jìn)行浮動(dòng)測量的能力。
電源質(zhì)量測量
根據SMPS組成,它的測量可分有源器件(開(kāi)關(guān)元件)測量、元源器件(磁性元件)測量、輸入交流供電測量及電源質(zhì)量測量,值此僅對電源質(zhì)量測量作介紹。
電源質(zhì)量不僅僅取決于發(fā)電機。它還取決于電源的設計和制造以及最終用戶(hù)負載。電源的電源質(zhì)量特征定義了電源的“健康”狀況。
現實(shí)的電線(xiàn)從來(lái)不會(huì )提供理想的正弦波，線(xiàn)路上總是有一些失真和雜波。開(kāi)關(guān)電源給供電電源施加了一個(gè)非線(xiàn)性負載。因此，電壓和電流波形不是完全相同的。電流在輸入周期的某一部分被吸收，使輸入電流波形上產(chǎn)生諧波。確定這些失真的影響是電源工程的一個(gè)重要部分。
為了確定電源線(xiàn)上的功率消耗和失真，應該在輸入階段進(jìn)行電源質(zhì)量測量，如圖4為所示的電壓和電流測試點(diǎn)。
圖4開(kāi)關(guān)電源電源質(zhì)量測試點(diǎn)示意圖。電源質(zhì)量測試必須使用同一時(shí)刻的輸入VAC和IAC讀數
電源質(zhì)量測量包括：有功功率;視在功率或無(wú)功功率;功率因數;波峰因數;根據EN61000-3-2標準進(jìn)行的電流諧波測量;總諧波失真(THD)。
應用具有運行軟件包(如TDSPWR3)的數字示波器并行電源質(zhì)量測量。
運行軟件包(如TDSPWR3)的數字示波器，如TDS5000B系列是替代傳統的功率表和諧波分析儀進(jìn)行電源質(zhì)量測量的有力工具。
使用數字示波器比傳統工具有明顯的優(yōu)勢。儀器必須能捕獲到基波的高達50次諧波分量。根據各地使用的標準，電源工頻頻率通常是50Hz或60Hz。在當今的高速示波器中，過(guò)采樣確保能夠詳細地(高分辨率)捕獲快速變化的事件。相反，由于響應時(shí)間相對較長(cháng)，傳統功率表可能忽略信號細節。即時(shí)在非常高的采樣分辨率下，示波器的記錄長(cháng)度也足以采集整數個(gè)周期。
軟件工具能加快測量過(guò)程，并將設置時(shí)間降至最低。大多數電源質(zhì)量測量都能由示波器上運行的功能完備的電源測量軟件自動(dòng)進(jìn)行，數秒中內就能完成漫長(cháng)的過(guò)程。示波器減少了手工計算，成為非常通用高效的功率表。
數字示波器探頭也有助于進(jìn)行安全、可靠的電源測量。用于電源應用的高壓差分探頭是觀(guān)察浮動(dòng)電壓信號的首選工具。
電流探測需要特殊的考慮。有幾種電流探頭結構的實(shí)現：交流電流探頭基于電流互感器(CT)技術(shù),CT探頭是非插入的，不能感應信號中的直流分量，這可能會(huì )造成測量不準確;分流器,該設計要求切斷電路，會(huì )在探頭內部形成電壓降，可能影響電源測量的準確性;交流/直流電流探頭一般基于霍爾效應傳感器技術(shù),該設備以非插入方式感應交流/直流電流，能夠用一個(gè)連接同時(shí)讀取交流和直流分量。
當給一臺數字示波器(如TDS5054B)配備了TDSPWR3軟件時(shí).它就變成了一個(gè)真正的自動(dòng)電源測量平臺。該軟件自動(dòng)設置示波器及其初始測量參數。如果需要，可以手工對這些設置進(jìn)行細調。
圖5顯示了用TDSSOOOB系列示波器和TDSPWR3測量分析軟件得到的電源質(zhì)量和電流諧波讀數。顯示器顯示了一系列豐富的測量，包括有功功率、視在功率、波峰因數、總諧波失真、功率因數、以及電流諧波的條形圖顯示。
結語(yǔ)
專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員要面對SMPS高壓和電流測量，必須解決測量中的安全性問(wèn)題,即運行于具有潛在危險的浮動(dòng)測量。對此,當今有多種可選技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行浮動(dòng)測量,值此僅以?xún)戎镁哂蠭soatedChanneI技術(shù)的TPS2000寬帶示波器為例作為解決方案,即隔離和浮動(dòng)測量功能+實(shí)驗室示波器的性能+現埸通用+功率專(zhuān)用測量和分析,等于高的生產(chǎn)效率，那就是浮動(dòng)測量新方法的應用，其特點(diǎn)是具有多功能性、準確性或經(jīng)濟性。
| 【上一個(gè)】 開(kāi)關(guān)電源的五種PWM反饋控制 | 【下一個(gè)】 綠色節能從開(kāi)關(guān)電源做起 |
| ^ 淺析開(kāi)關(guān)電源的測量中安全性解決方案 |