來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：秩名2014年04月17日 10:10
0
分享
微信QQ空間新浪微博騰訊微博人人網(wǎng)
訂閱
[導讀] 從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關電源，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復雜、動態(tài)的工作環(huán)境。設備負載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開關電源，也要能夠承受遠遠超過其平均工作電平的瞬間峰值。
關鍵詞：電源測試數(shù)字示波器開關電源
從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關電源，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復雜、動態(tài)的工作環(huán)境。設備負載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開關電源，也要能夠承受遠遠超過其平均工作電平的瞬間峰值。設計電源或系統(tǒng)中要使用電源的工程師需要了解在靜態(tài)條件以及最差條件下電源的工作情況。
過去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數(shù)字萬用表測量靜態(tài)電流和電壓，并用計算器或PC進行艱苦的計算。今天，大多數(shù)工程師轉而將示波器作為他們的首選電源測量平臺。現(xiàn)代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件，簡化了設置，并使得動態(tài)測量更為容易。用戶可以定制關鍵參數(shù)、自動計算，并能在數(shù)秒鐘內看到結果，而不只是原始數(shù)據(jù)。
電源設計問題及其測量需求
理想情況下，每部電源都應該像為它設計的數(shù)學模型那樣地工作。但在現(xiàn)實世界中，元器件是有缺陷的，負載會變化，供電電源可能失真，環(huán)境變化會改變性能。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設計更加復雜。考慮這些問題：
電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續(xù)多長時間？電源散發(fā)多少熱量？過熱時會怎樣？它需要多少冷卻氣流？負載電流大幅增加時會怎樣？設備能保持額定輸出電壓嗎？電源如何應對輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時會怎樣？
設計人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴格的EMI/EMC標準的電源。只有一套嚴格的測量體系才能讓工程師達到這些目標。
示波器和電源測量
對那些習慣于用示波器進行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因為其頻率相對較低。實際上，電源測量中也有很多高速電路設計師從來不必面對的挑戰(zhàn)。
整個開關設備的電壓可能很高，而且是“浮動的”，也就是說，不接地。信號的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會變化。必須如實捕獲并分析波形，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲器，以提供長時間低頻采集結果的記錄空間。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號。
開關電源基礎
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結構是開關電源（SMPS），它因為能夠有效地應對變化負載而眾所周知。典型SMPS的電能信號路徑包括無源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件（如電阻和線性晶體管），而主要使用（理想情況下）無損耗的元器件：開關晶體管、電容和磁性元件。
SMPS設備還有一個控制部分，其中包括脈寬調制調節(jié)器脈頻調制調節(jié)器以及反饋環(huán)路1等組成部分。控制部分可能有自己的電源。圖1是簡化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。
SMPS技術使用了金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）與絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等功率半導體開關器件。這些器件開關時間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開通還是斷開狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開關器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對開關器件的主要測量包括：開關損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)及其他。
準備進行電源測量
準備進行開關電源的測量時，一定要選擇合適的工具，并且設置這些工具，使它們能夠準確、可重復地工作。當然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應SMPS的開關頻率。電源測量最少需要兩個通道，一個用于電壓，一個用于電流。有些設施同樣重要，它們可以使電源測量更容易、更可靠。下面是一部分要考慮的事項：
儀器能在同一次采集中處理開關器件的開通和斷開電壓嗎？這些信號的比例可能達到100，000:1。
有可靠、準確的電壓探頭和電流探頭嗎？有可以校正它們的不同延遲的有效方法嗎？
有沒有有效的方法來將探頭的靜態(tài)噪聲降至最低？
儀器能夠配備足夠的記錄長度，以很高的采樣速率捕獲較長的完整工頻波形嗎？
這些特征是進行有意義且有效的電源設計測量的基礎。
測量一次采集中的100伏和100毫伏電壓
要測量開關器件的開關損耗和平均功率損耗，示波器首先必須分別確定在斷開和開通時開關器件上的電壓。
在AC/DC變流器中，開關器件上的電壓動態(tài)范圍非常大。開通狀態(tài)下開關器件上通過的電壓取決于開關器件的類型。在MOSFET管中，開通電壓為導通電阻和電流的乘積。在雙極結型晶體管（BJT）和IGBT器件中，該電壓主要取決于飽和導通壓（VCEsat）。斷開狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開關變換器的拓撲。為計算設備設計的典型直流電源使用80Vrms到264Vrms之間的通用市電電壓。
在最高輸入電壓下開關器件上的斷開狀態(tài)電壓（TP1和TP2之間）可能高達750V。在開通狀態(tài)，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1伏之間。顯示了開關器件的典型信號特性。
為了準確地進行開關器件電源測量，必須先測量斷開和開通電壓。然而，典型的8位數(shù)字示波器的動態(tài)范圍不足以在同一個采集周期中既準確采集開通期間的毫伏級信號，又準確采集斷開期間出現(xiàn)的高電壓。要捕獲該信號，示波器的垂直范圍應設為每分度100伏。在此設置下，示波器可以接受高達1000V的電壓，這樣就可以采集700V的信號而不會使示波器過載。使用該設置的問題在于最大靈敏度（能解析的最小信號幅度）變成了1000/256，即約為4V。
泰克DPOPWR軟件解決了這個問題，用戶可以把設備技術數(shù)據(jù)中的RDSON或VCEsat值輸入圖4所示的測量菜單中。如果被測電壓位于示波器的靈敏度范圍內，DPOPWR也可以使用采集的數(shù)據(jù)進行計算，而不是使用手動輸入的值。
12下一頁全文
本文導航
分享到：微信QQ空間新浪微博騰訊微博
0
收藏(0)
打印
免費訂閱 ElecFans 信息速遞，掌握即時科技產(chǎn)業(yè)動態(tài)與最新技術方案
