采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SMPS測試安全問題

導(dǎo)讀

無論是處理高電壓、高溫、線路隔離，還是應(yīng)對最低負(fù)載要求和極高動態(tài)范圍的電壓測量，操作都相當(dāng)有難度。本文將介紹建立一個安全的測試站所需的條件，包括實現(xiàn)輸入功耗控制、線路隔離、寬動態(tài)范圍電壓測量和可編程負(fù)載控制所需的各類器件。

電源、工業(yè)控制器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、DC-AC 逆變器或 UPS 所運用的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換均具備能效高、尺寸小和重量輕的特點。但對線路供電型開關(guān)模式電源進行測試或故障排除期間仍會面臨若干難以應(yīng)對的安全相關(guān)挑戰(zhàn)，這便需要設(shè)計人員采取一定的預(yù)防措施。

無論是處理高電壓、高溫、線路隔離，還是應(yīng)對最低負(fù)載要求和極高動態(tài)范圍的電壓測量，操作都相當(dāng)有難度。本文將介紹建立一個安全的測試站所需的條件，包括實現(xiàn)輸入功耗控制、線路隔離、寬動態(tài)范圍電壓測量和可編程負(fù)載控制所需的各類器件。

SMPS 測試安全問題

開關(guān)模式電源 (SMPS) 能在最短的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)打開和關(guān)閉高電壓，從而降低功率損耗。典型的線路供電型 SMPS 存在若干安全相關(guān)問題。

這是一個采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線路供電型電源。該電路的初級側(cè)以黃色突出顯示，對線路（電源）輸入進行全波整流并將其應(yīng)用于初級軌。這意味著若使用 120 伏線路，高壓軌和低壓軌之間出現(xiàn)的電壓電平約為 340 伏，若使用 240 伏線路，該值會高于 670 伏。使用 15 伏以下電壓的技術(shù)人員和工程師可能需要知悉，這些電壓可能會致命，所以使用這些器件時必須格外小心。

此整流線路電壓將存儲于初級儲能電容器 C2 上。也就是說，即使將該電源與線路斷開，儲能電容器上所存儲的電荷還是有風(fēng)險。進行故障排除前，應(yīng)將電源與線路斷開連接，并利用電阻器小心謹(jǐn)慎地對主要儲能電容器放電。

開關(guān) FET Q2 會在高壓軌和低壓軌之間切換。即使以高效方式運行，此晶體管也會變得很熱，而且它通常會被安裝在散熱器上。散熱器周圍的測試操作員應(yīng)謹(jǐn)慎行事，以防被燒傷。

請注意，該電源的初級和次級區(qū)段會采用反激式變壓器 L2 和光隔離耦合器 Q4 進行電隔離。次級區(qū)段在負(fù)極 (-) 輸出端接地，初級區(qū)段不接地。若使用接地輸入儀器（如示波器）進行故障排除，這種接地方式便有問題。將示波器探頭的接地連接端與電源初級側(cè)的元件連接可能會導(dǎo)致短路，而且還會損壞主要元件和示波器。

SMPS 通常需要滿足一定的最低負(fù)載要求才能運行；若負(fù)載不得當(dāng)，電源通常會關(guān)閉。

還有一點，鑒于使用的電壓之高，故障模式通常會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。例如，短路的橋式整流器 (D1-D4) 可能會向主要儲能電容器施加線路電壓，進而導(dǎo)致電容器通過排氣孔排出電介質(zhì)，甚至?xí)苯右l(fā)爆炸。所以，設(shè)計 SMPS 期間可能會出現(xiàn)噴出物。

安全的 SMPS 測試設(shè)置

SMPS 測試套件應(yīng)使用若干常用器件來最大限度地減少安全問題。

隔離變壓器主要用于對 SMPS 的初級區(qū)段進行電氣隔離。一經(jīng)隔離，便可與初級電路中任意部分的探頭接地端連接。這樣初級電路便不會發(fā)生短路。若隔離變壓器（例如Bel Signal Transformer，型號DU-2）同時具備初級和次級繞組，則可將其連接至 120 伏或 240 伏標(biāo)稱輸入。它可在 240 伏的電壓下提供 9 安培 (A) 的電流，亦可在 120 伏 (2 kVA) 的電壓下提供 18 安培 (A) 的電流。額定功率高達 10 kVA 的隔離變壓器極為常見。

自耦變壓器可用于緩慢升高施加于測試器件的線路電壓。執(zhí)行此操作時需監(jiān)控輸入電流，這樣便能在災(zāi)難性故障出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)故障元件。Staco Energy Products型號為3PN1010B的產(chǎn)品是一款典型的自耦變壓器，可在 0-140 伏 (1.4 kVa) 的電壓下提供高達 10 A 的電流。請注意，自耦變壓器不提供線路隔離，所以必須與隔離變壓器配合使用才能實現(xiàn)該功能。

如前所述，對 SMPS 進行測試需使用負(fù)載。最常使用的負(fù)載為非感應(yīng)式電阻器，但請注意，阻性負(fù)載組也可能變得很熱，所以應(yīng)加以防護以免意外接觸。電子負(fù)載是能夠替代固定阻性負(fù)載組的替代方案，其負(fù)載可變。運行負(fù)載調(diào)節(jié)和輸出電流折返等測試時，負(fù)載的控制能力非常重要。如果需進行自動化測試，則可編程功能會是特別重要的考慮因素。

B＆K Precision型號為8514的產(chǎn)品是一款額定功率為 1200 W 的典型電子負(fù)載，它可通過 USB 進行編程，在 0.1-120 V 的輸入電壓范圍內(nèi)以恒定電流、電壓、電阻或功耗模式運行。電子負(fù)載還能模擬隨時間而變化的動態(tài)負(fù)載。

8514 采用的安全外殼為測試器件和測試操作員之間提供一道物理屏障。它能在發(fā)生爆炸事故時保護附近的操作員。外殼還可進行專門配置以冷卻測試器件和阻性負(fù)載組（如有使用）。此類裝置通常可快速連接測試器件和斷開連接。

線路隔離

單相交流線路具有熱線和中性線。中性線在配電系統(tǒng)中接地，但在電源處可能仍高于地電位幾伏電壓。這會導(dǎo)致該電源的初級區(qū)段沒有接地參考。將接地示波器探頭與初級電路的任意點連接都可能導(dǎo)致短路。

很多技術(shù)人員和工程師都試圖通過移除示波器的接地連接和使示波器“浮動”來解決此問題。這種做法極其危險，因為它會使示波器外殼處于高出地電位幾百伏的環(huán)境。接觸示波器的任何人員都可能觸電身亡。

浮動示波器的替代方案是使用隔離變壓器，相關(guān)連接如圖 2 所示。這樣便能將測試電源與交流線路分開。使用隔離變壓器后，可在初級電路中的任意點進行接地連接，并將該點作為接地參考。

雖然采用這種方法可以進行電壓測量，但使用專為測量高電壓而設(shè)計的差分探頭會更合適。差分探頭具備兩個輸入端（都不接地），可測量輸入端之間的電壓差。只要用一個輸入端的電壓減去另一端的電壓便能算出電壓差。

差分探頭的差分測量會衰減兩個輸入端共有的任何電壓信號（稱為共模信號）。共模信號的衰減量是差分探頭的品質(zhì)因數(shù)，被稱為共模抑制比 (CMRR)，以分貝 (dB) 表示。

高壓差分探頭在匹配差分輸入之前使用高衰減來測量高壓。如圖 3 所示，電阻器 R1 和 R2 會形成一個補償衰減器，而電阻器 R3 和 R4 又會形成另一個。將衰減器的輸出施加至采用三個運算放大器的差分放大器的輸入端。只要認(rèn)真匹配元件和確保對稱的 PCB 布局，便能獲得較準(zhǔn)確的 CMRR。

CMRR 非常重要，因為 SMPS 中的電壓測量可能需要高動態(tài)范圍。電源的初級側(cè)持續(xù)轉(zhuǎn)換 340 伏電壓，并且轉(zhuǎn)換時間相對較快。這些信號可輻射至整個器件。試著測量電源 FET 上的柵極驅(qū)動信號。此信號低于 10 伏，受到這些高壓共模信號的影響，很難看到。使用具有較高 CMRR 的差分探頭可抑制干擾信號。

諸如Cal Test Electronics型號為CT3681的探頭運用了 X100 或 X1000 用戶可選衰減特性。這些探頭的最大額定電壓為 700 V (X100) 或 7 kV (X1000)，CMRR 在 50 Hz 和 20 kHz 時分別為 -80 dB 和 -60 dB，帶寬為 70 MHz。這類探頭的優(yōu)勢在于在輸出端使用標(biāo)準(zhǔn) BNC 連接器，而非專有探頭接口，這使得它們可與所有示波器兼容。

盡管線路供電型 SMPS 極為流行和實用，但在測試期間還是會存在安全問題。不過如文中所述，只要結(jié)合可靠的工程實踐并采用常用元件（如隔離變壓器、自耦變壓器、電子負(fù)載和差分探頭），便能顯著降低這些風(fēng)險。