開關(guān)電源的最大效率驗(yàn)證和檢定

為保證在可接受的折衷方案下達(dá)到最佳效率，驗(yàn)證和檢定開關(guān)電源（SMPS）的設(shè)計(jì)是十分重要的?？赏ㄟ^下列方式完成：測(cè)定開關(guān)功率損耗和磁功率損耗來確定電源效率；測(cè)定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線路上的開關(guān)電源的作用。

　　電力系統(tǒng)的最大能量損耗通常發(fā)生在AC/DC和DC/DC電源的功率轉(zhuǎn)換期間?；旧厦總€(gè)設(shè)計(jì)都會(huì)優(yōu)先考慮節(jié)能，因此轉(zhuǎn)換功率在80%到90%之間的開關(guān)電源成為主流。理想狀態(tài)下，所有電源都按照數(shù)學(xué)模型工作。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中卻存在著各種問題，例如：部件存在缺陷、負(fù)載變化不定、線路功率失真和環(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(yàn)證和檢定開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。要完成這些任務(wù)，通常需要測(cè)定開關(guān)功率損耗和磁功率損耗來確定開關(guān)電源的效率，還要測(cè)定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線路上的開關(guān)電源的作用。

　　測(cè)量開關(guān)損耗

　　開關(guān)電源中的開關(guān)晶體管切換速度快，最大程度地減少了能量損耗。對(duì)于開關(guān)電源來說，開關(guān)晶體管在開或關(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?yàn)閮?chǔ)存在二極管的電能以及儲(chǔ)存在寄生電感和寄生電容的電能被釋放出來。“關(guān)斷損耗”是指設(shè)備從開到關(guān)過程中的損耗。“關(guān)斷損耗”同樣也指開關(guān)設(shè)備從關(guān)到開過程中的能量損耗。下面是計(jì)算切換過程中產(chǎn)生的能量損耗的公式：

　　式中：ETRANSITION指開關(guān)在切換過程中產(chǎn)生的能量損耗；vA(t)指開關(guān)的瞬時(shí)電壓；iA(t)指開關(guān)的瞬時(shí)電流；t1指切換完成的時(shí)間；t0指切換開始的時(shí)間。

　　整個(gè)開關(guān)周期發(fā)生的總能量損耗由接通開關(guān)損耗、關(guān)斷開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗構(gòu)成。下面是總損耗的計(jì)算公式：ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中：ELOSS指開關(guān)周期內(nèi)晶體管的能量損耗；ETURN-ON和ETURN-OFF均為開關(guān)損耗；EON指導(dǎo)電損耗。

　　分析上述損耗對(duì)檢定電源、估計(jì)其效率是必要的，可采用示波器測(cè)開關(guān)損耗（圖1）。使用帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器，可測(cè)出多開關(guān)周期的開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，從而確定設(shè)備在不同時(shí)間的特性。從測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，可觀察到測(cè)量結(jié)果的變化情況。要準(zhǔn)確的測(cè)出接通損耗和關(guān)斷損耗是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)閾p耗只在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，在開關(guān)周期剩下的時(shí)間里是極少出現(xiàn)的。測(cè)定上述損耗需要對(duì)電壓波形和電流波形進(jìn)行精確的計(jì)時(shí)，而且測(cè)量系統(tǒng)的偏差要達(dá)到最小。

圖1  帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器

　　圖1  帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器可顯示多開關(guān)周期的開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，從而確定設(shè)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(cè)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(lán)色軌跡）是用非插入式電流探針測(cè)得的通過電感器的電流。功率測(cè)量軟件自動(dòng)計(jì)算功率損耗，并以圖的形式顯示出來（278.1 mW）

　　測(cè)量磁功率損耗

　　電感器和互感器通常功率損耗都比較小，常被開關(guān)電源用來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(duì)電源輸入輸出的濾波有利。

　　互感器將初級(jí)繞組的交流電壓和交流電流耦合到次級(jí)繞組，使電壓或電流（其中一種）的信號(hào)電平增大或減小?；ジ衅鞒跫?jí)可接受120V的電壓，通過按比例增大次級(jí)的電流，使次級(jí)的電壓降到12V。互感器的初級(jí)和次級(jí)采用的不是電氣連接，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，銅耗則是銅繞組線的電阻引起的。

　　從磁芯賣方提供的數(shù)據(jù)表和帶功率測(cè)量軟件的示波器得出的結(jié)果可推導(dǎo)出總功率損耗和磁芯損耗。然后，通過這兩個(gè)值計(jì)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(jì)算方法部分取決于被測(cè)元件的類型。被測(cè)設(shè)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(cè)量結(jié)果。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍(lán)色軌跡）是用非插入式電流探針測(cè)得的通過電感器的電流。功率測(cè)量軟件自動(dòng)計(jì)算功率損耗，并以圖的形式顯示出來（278.1 mW）。

圖2  單繞組電感器的測(cè)量結(jié)果

　　為達(dá)到最佳性能，設(shè)計(jì)者一般利用從廠商處獲得的磁滯曲線來指定磁性元件。在特性曲線中規(guī)定了磁性元件磁芯材料的性能范圍。為保證運(yùn)行過程中工作電壓和工作電流保持在磁滯曲線的線性區(qū)域內(nèi)，有必要對(duì)開關(guān)電源內(nèi)的磁性元件進(jìn)行檢定。采用專用功率測(cè)量軟件，可以大大的簡(jiǎn)化用示波器測(cè)定磁性的步驟。很多時(shí)候，只需測(cè)出電壓和勵(lì)磁電流，然后由軟件來完成磁性測(cè)量的計(jì)算。磁性測(cè)量可在單繞組電感器上進(jìn)行，也可在配有初級(jí)電流源和次級(jí)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圖，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍(lán)色軌跡）是初級(jí)電流，通道3（金色軌跡）是次級(jí)電流。軟件根據(jù)來自通道2和通道3的數(shù)據(jù)來確定勵(lì)磁電流

圖3    互感器的磁滯曲線圖

圖4    在沒有兩根探針偏斜校正的情況下測(cè)出的結(jié)果（5.141W）

　　在圖3中，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍(lán)色軌跡）是初級(jí)電流，通道3（金色軌跡）是次級(jí)電流。軟件根據(jù)來自通道2和通道3的數(shù)據(jù)來確定勵(lì)磁電流。某些功率測(cè)量軟件還能精確地繪制磁性元件的磁滯曲線圖，并檢定其特性。在軟件繪制磁滯曲線圖前，必須先輸入磁芯的圈數(shù)、磁長度和橫截面積。

　　探測(cè)考慮因素

　　采用示波器測(cè)量功率的話，必須測(cè)量MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）開關(guān)設(shè)備漏極到源極節(jié)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(jié)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(cè)量不準(zhǔn)、定時(shí)測(cè)量失真。

　　了解探針傳播時(shí)延對(duì)最大峰值功率和面積測(cè)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(jié)果則是錯(cuò)誤的。探針沒有正確地進(jìn)行偏斜校正時(shí)，測(cè)量結(jié)果（如開關(guān)損耗）的準(zhǔn)確性會(huì)變差。例如，圖4顯示的是在沒有先對(duì)兩根探針進(jìn)行偏斜校正的情況下工程師測(cè)出的結(jié)果（5.141W）。圖5中所示結(jié)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(cè)量誤差。進(jìn)行準(zhǔn)確的偏斜校正會(huì)減小峰-峰功率損耗的測(cè)量誤差。

　　有些功率測(cè)量軟件可自動(dòng)對(duì)選中的探針組合進(jìn)行偏斜校正。它通過有源信號(hào)調(diào)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(xiàn)的基礎(chǔ)是特定電壓探針和電流探針具有恒定而重復(fù)的傳播時(shí)延。靜態(tài)偏斜校正功能根據(jù)選定探針的傳播時(shí)間嵌入表自動(dòng)調(diào)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，開始測(cè)量之前應(yīng)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(hào)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，通過消磁可除去殘余的全部直流磁通。

　　電力線路

　　對(duì)AC/DC電源而言，電力線路測(cè)量（如電能質(zhì)量和線路諧波等）對(duì)檢定開關(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，電力線路總是存在失真和雜質(zhì)，所以從未供應(yīng)過理想的正弦波。而且，開關(guān)電源對(duì)源呈現(xiàn)出非線性負(fù)載的特性，因此，電壓波形和電流波形是不理想的。開關(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(shè)計(jì)中的重要組成部分。

圖5    在對(duì)圖4中的信號(hào)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(fù)載電流的諧波分析結(jié)果。

　　軟件自動(dòng)計(jì)算電流諧波，確定與基本值和均方根值相對(duì)的總諧波失真度（THD）

　　為了確定電力線路的功率消耗和功率失真，要測(cè)量輸入階段的電能質(zhì)量。工程師傳統(tǒng)上采用功率表和諧波分析器來測(cè)量電能質(zhì)量，而帶功率測(cè)量軟件的數(shù)字示波器成為一項(xiàng)更好的選擇。

　　示波器有許多優(yōu)點(diǎn)。測(cè)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(jù)適用的本地標(biāo)準(zhǔn)，電力線路頻率通常是50Hz或60Hz。有時(shí)應(yīng)用于軍事和航空電子領(lǐng)域時(shí)，線路頻率可為400 Hz。信號(hào)畸變可包含更好的頻率，具有高取樣速率的現(xiàn)代示波器能捕捉大分辨率的快速變化事件。相比之下，常規(guī)功率表因反應(yīng)較慢，會(huì)忽略信號(hào)的細(xì)節(jié)。示波器的記錄長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

　　開關(guān)電源容易產(chǎn)生以異次序?yàn)橹鞯闹C波，異次序諧波能返回電網(wǎng)，隨著越來越多的開關(guān)電源接到電網(wǎng)中，這種效應(yīng)開始累積。舉例來說，當(dāng)辦公室新添更多的臺(tái)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(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了特殊非線性負(fù)載的電能質(zhì)量。

　　采用帶功率測(cè)量軟件的示波器，諧波分析就跟普通的波形測(cè)量一樣簡(jiǎn)單。 圖6顯示的是電源負(fù)載電流的諧波分析結(jié)果。在這種情況下，軟件自動(dòng)計(jì)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(duì)的總諧波失真度（THD）。上述測(cè)量有助于分析其是否符合EN/IEC61000-3-2和軍事標(biāo)準(zhǔn)1399等標(biāo)準(zhǔn)。部分軟件會(huì)自動(dòng)將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便快速檢查設(shè)備是否合格。

　　幾乎每種電子產(chǎn)品的組成中都有電源，開關(guān)電源因高達(dá)90%的節(jié)能效率，已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流。為了驗(yàn)證和檢定開關(guān)電源的設(shè)計(jì)以確保其能在實(shí)際環(huán)境中發(fā)揮良好的功能，常需測(cè)量開關(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(cè)量是復(fù)雜的，具有適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)工具和自動(dòng)化測(cè)量軟件的示波器可使測(cè)量變得簡(jiǎn)單。