基于開關電源的測量中安全性設計

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，開關電源系統(tǒng)(SMPS)已成為數(shù)字計算、網(wǎng)絡、通信系統(tǒng)中的主流結構。開關電源的性能(或者故障)就可能對一個昂貴的大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

　　要確保即將實現(xiàn)的SMPS設計可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，測量是唯一的辦法。SMPS測量分為三個主要部分：有源器件測量、無源器件測量(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電壓和強電流;有些測量需要大量數(shù)學分析，才能得到有意義的結果。電源測量可能很復雜,特別是開關電源系統(tǒng)測量中安全技術為引人注目什么吶?應先從當今開關電源(SMPS)技術發(fā)展趨勢與開關電源沒計中的挑戰(zhàn)說起。

　　開關電源技術發(fā)展趨勢的特點是：效率越來越高;功率密度越來越高;瞬時負荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術及符合EN6100003-4 A14標準。

　　開關電源沒計中面對提升開關電源效率，降低開關損耗;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。必須提高開關電源系統(tǒng)可靠性，要有海量數(shù)據(jù)分析并符合寬帶技術標準;需要簡便易用、可靠的工具，以及定位問題.

　　開關電源系統(tǒng)

　　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系統(tǒng)，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設備有一個控制部分，其中包括脈寬調(diào)節(jié)器、脈頻調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路等?？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫础D1是簡化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。

　　圖1 開關電源簡化示意圖

　　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)等。

　　開關電源系統(tǒng)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，處理浮動設備或具有不同接地的沒備，檢定數(shù)字控制電路，檢定功率電子器件的瞬時功率分析、波形分析、相位角及開關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(tǒng)示波器測量

　　以交流供電的傳統(tǒng)示波器是以“地為參考點的測量”，其含義是：交流供電的示波器必須與地線相接，探頭的地線與示波器所有通道的參考點相連，從而接到地電位。而傳統(tǒng)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)。

　　通過用切斷標準三頭AC插座地線的方法或使用一個交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護地線浮動起來，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實并可行，因為在建筑物的布線中其中線也許在某處已經(jīng)與地線相連。是不安全的測量方法，會帶來人身傷害和儀器和電路損壞!

　　不能使用傳統(tǒng)示波器測量技術的原因如下：

　　·分布電容和電感降對待測點帶來超過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的方法迸行差分測量!也不可使用隔離變壓器進行差分測量!

　　·分布電容和電感還可能帶來原本沒有的振鈴! 見圖2(a)所示。

　　圖2a 寄生電感和電容引起振蕩會使信號失真，導致測量無效。

　　·示波器在沒有接地的情況下,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(shù)示波器的”信號公共線”終端與保護性接地系統(tǒng)相連接，通常稱之為“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公共的連接點。該公用連接點通常是示波器機殼，通過使交流電源設備電源線中的第三根導線接地線，并將探頭地線連到一個測試點上。這是一種不安全的測量行為。此行為會將儀器底盤(不再接地)的電壓提高為與探頭地線相連的測試點電壓相同。觸摸儀器的用戶就會成為接地的最短路徑。圖2(b)說明了這種危險的情況。

　　圖2b 示波器底盤上出現(xiàn)危險電壓的浮動測量

　　圖2b中的V1是高于真實接地電壓的“偏置”電壓，而VMeas是待測電壓。根據(jù)被測單元(DUT)的不同，V1可能為數(shù)百伏，而VMeas則可能為幾分之一伏。以此方式浮動機殼接地端會對用戶、DUT和儀器構成威脅。

　　此外,它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定，且獲得的測量結果也差。而且交流供電儀器在地面浮動時會出現(xiàn)一個大的寄生電容。因此，浮動測量將受到振蕩性的破壞，即圖2(a)所示的振鈴出現(xiàn)。

　　浮動測量新方法的引入

　　所謂“浮動”測量，即測量的兩個點都不處于接地電位，該測量也常稱為差分測量。

　　“信號公共線”與地之間的電壓可能會升高到數(shù)百伏。“浮動”參考接地的示波器是通過使接地系統(tǒng)無效或使用隔離變壓器，將“信號公共線”從地面斷開。為此需要通過具有內(nèi)置隔離通道技術的TPS2000系列示波器,使得工程師和技術人員可以快速、準確、經(jīng)濟地進行多通道隔離測量。

　　因為浮動測量技術使機殼、機柜和連接器等儀器可接觸部件具有探頭地線連接點的電勢，而該技術是危險的，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，雖然該應力不會立即引發(fā)故障，但是可能在將來引發(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法挽回。這就有可能造成不僅浮動參照接地的示波器很危險，而且會使測量方法不準確，即該電勢的誤差是由于在地線連接點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(LsoIated ChanneI)技術作為解決方案。