更快、更小、更節(jié)能，開關(guān)電源迎來測試挑戰(zhàn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）作為電子設備中的重要組成部分，開關(guān)電源主要用于將輸入電源轉(zhuǎn)換為電子設備所需的電壓和電流。其特點在于高效率、小型化、穩(wěn)定性強等，已成為當前市場的主流產(chǎn)品。而在儲能系統(tǒng)中，開關(guān)電源不僅負責能量的轉(zhuǎn)換和管理，而且還提供了必要的保護機制，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

正是由于在儲能中的重要位置，因此給開關(guān)電源進行綜合測試至關(guān)重要?？梢源_保其在各種條件下都能可靠、高效地運行。這不僅提高了儲能系統(tǒng)的整體性能，還降低了運營成本，并確保了用戶的滿意度和安全。

開關(guān)電源已成市場主流

1955年，美國人GH . Roger發(fā)明了自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，首創(chuàng)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，為開關(guān)電源的研制打下理論基礎。到了20世紀70年代，第一代民用標準化開關(guān)電源誕生，并在隨后十幾年間成為了符合全球通用規(guī)格的開關(guān)電源。其采用PWM技術(shù)的MOSFET開關(guān)整流器，開關(guān)頻率均在50kHz左右。

當前開關(guān)電源已經(jīng)形成了完善的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，上游主要為開關(guān)電源IC芯片制造，中游電源制造商根據(jù)其掌握的不同水平的電源制造專業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)能力為下游客戶提供不同技術(shù)水平、類型的電源產(chǎn)品，下游主要為行業(yè)用戶，儲能便是其中之一。

據(jù)市場機構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，2023年開關(guān)電源市場規(guī)模約為3947億元，較上年增長26.95%。公開數(shù)據(jù)顯示，從開關(guān)電源的應用領(lǐng)域來看，目前我國的開關(guān)電源主要集中在工業(yè)領(lǐng)域，占比達53.94%，其次為消費電子領(lǐng)域，占比達33.05%。二者合計占比超過85%以上，行業(yè)需求領(lǐng)域集中度非常高。

2024年的市場分析報告顯示，開關(guān)電源行業(yè)呈現(xiàn)高頻化、小型集成化、節(jié)能低碳環(huán)保等發(fā)展趨勢，并且預計隨著技術(shù)的進步和市場需求的增長，開關(guān)電源將繼續(xù)作為電源市場的主流產(chǎn)品。

從發(fā)展趨勢來看，以儲能行業(yè)為例，開關(guān)電源主要朝著高頻化技術(shù)發(fā)展、數(shù)字化技術(shù)發(fā)展、低輸出電壓技術(shù)發(fā)展、模塊化技術(shù)發(fā)展、小型集成化趨勢這五個方面發(fā)展。

比如高頻化，開關(guān)變換器的開關(guān)頻率已經(jīng)比以往有較大程度的提高。隨著頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也在不斷減少，為開關(guān)電源技術(shù)的不斷完善提供了機遇。但同時，高頻化開關(guān)技術(shù)也加速了開關(guān)內(nèi)部元器件的損耗程度，并可能引發(fā)一系列問題。

此外，在數(shù)字化上，對于傳統(tǒng)開關(guān)電源而言，模擬信號對控制部分的工作起到引導作用。目前，數(shù)字化控制已經(jīng)是絕大部分設備所采用的控制方式，而開關(guān)電源同樣也是數(shù)字化技術(shù)今后應用的主要領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，數(shù)字化電源技術(shù)的研究已經(jīng)成為科研人員攻關(guān)的主要方向，并且也取得了很多科研成果，這無疑對推動開關(guān)電源數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

而在現(xiàn)階段，對于微型處理器以及便攜電子設備而言，其工作電壓的穩(wěn)定程度對于設備的使用有著關(guān)鍵作用，所以要求今后半導體裝置變換器可以用更低的電壓來確保微型處理器以及電子設備得以高質(zhì)量的工作。

開關(guān)電源的測試挑戰(zhàn)

作為電器產(chǎn)品中的核心，開關(guān)電源在產(chǎn)品中承擔著重要職責，也意味著對開關(guān)電源的要求會更高，這也提出了更高的測試挑戰(zhàn)。

比如變壓器的飽和現(xiàn)象，在高壓或低壓輸入、輕載、重載、容性負載、輸出短路、動態(tài)負載和高溫等條件下，通過變壓器的電流可能呈現(xiàn)非線性增長。這種非線性增長可能導致電流峰值難以預測和控制，進而導致開關(guān)管過壓損壞。

此外，對于PWM開關(guān)電源而言，如果相位點抖動過大，則可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。特別是在200kHz至500kHz的工作頻率范圍內(nèi)，典型的抖動值應低于1納秒。

還需要進行過壓保護（OVP）和過流保護（OCP）測試，需要確保在過壓或過流情況下，電源能夠正確觸發(fā)保護機制。例如，對于輸出電壓小于12V的情況，過壓保護點通常設置為輸出電壓的1.8倍；而對于輸出電壓大于等于12V的情況，則設置為1.5倍。

還有對于開關(guān)電源的電源完整性（Power integrity，PI）測試，這是確認電源來源及目的端的電壓及電流是否符合要求。如果是給高速數(shù)字電路供電的電源（例如筆記本電腦），需將電源的電能分配給不同電壓的工作器件，涉及到PDN（Power Distribution Network）的概念，因而電源完整性的測量對象其實是電源分配網(wǎng)絡PDN。PI會影響信號質(zhì)量，包含電源設計和其他方面的內(nèi)容，沒有通用技術(shù)標準可供參考，解決起來比較復雜，但又很重要。

在測試峰值負載功率時，需要避免負載超過電源的額定功率，以防損壞電源。手動記錄數(shù)據(jù)的方式既耗時又容易出錯，因此自動化測試系統(tǒng)變得尤為重要。

而想要進行完整測試，需要有示波器、EMI接收機、諧波閃爍分析儀、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡分析儀、隔離變壓器、電子負載、交流電源、直流電源等。

比如示波器就是將信號調(diào)理電路調(diào)整輸入信號（衰減或放大），以使其滿足ADC的輸入動態(tài)范圍，其中ADC就是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值存放于采集存儲器中，然后計算機再對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行軟件處理。

選擇好的示波器通常要看三項指標，即帶寬、采樣率、存儲深度，帶寬是用來衡量一個示波器最大可以測多高頻率的信號，當信號幅值下降為原來的0.707倍（-3db）時稱為示波器前端放大器幅頻特性曲線的截止頻率點，即示波器的（模擬）帶寬。

而采樣率則是在1秒的時間內(nèi)，對輸入信號采集的次數(shù)，單位為Sample/s簡記為Sa/s，即每秒鐘采樣的次數(shù)。存儲深度為單次采集過程中，示波器可保存的離散采樣點的最大個數(shù)，單位即pts（是points的縮寫）。

因此建議在測量開關(guān)管時，帶寬選擇100MHz，采樣率選25MSa/s，而測量電源紋波，則是20MHz，采樣率250MSa/s，測量電源噪聲，建議在500MHz，采樣率5GSa/s，而想要測量電源的電快速瞬變脈沖群（EFT），建議選1GHz，采樣率10GSa/s。存儲深度最好都在10Mpts以上。

小結(jié)

開關(guān)電源的測試不僅涵蓋廣泛的項目，且每個項目均有嚴格的測試標準和復雜的方法，這對測試人員的專業(yè)能力和設備提出了較高要求。同時，通過嚴格的測試流程，確保了開關(guān)電源在各種極端條件下的安全性和穩(wěn)定性，為電子設備的可靠運行提供了堅實保障。