基于開關(guān)電源的測量中安全性設(shè)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(guān)電源系統(tǒng)(SMPS)已成為數(shù)字計算、網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)中的主流結(jié)構(gòu)。開關(guān)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(shè)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(qiáng)電流;有些測量需要大量數(shù)學(xué)分析，才能得到有意義的結(jié)果。電源測量可能很復(fù)雜,特別是開關(guān)電源系統(tǒng)測量中安全技術(shù)為引人注目什么吶?應(yīng)先從當(dāng)今開關(guān)電源(SMPS)技術(shù)發(fā)展趨勢與開關(guān)電源沒計中的挑戰(zhàn)說起。

　　開關(guān)電源技術(shù)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(fù)荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術(shù)及符合EN6100003-4 A14標(biāo)準(zhǔn)。

　　開關(guān)電源沒計中面對提升開關(guān)電源效率，降低開關(guān)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(yīng)。必須提高開關(guān)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(shù)標(biāo)準(zhǔn);需要簡便易用、可靠的工具，以及定位問題.

　　開關(guān)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(jié)構(gòu)是開關(guān)電源系統(tǒng)，因為它能夠有效地應(yīng)對變化負(fù)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(guān)晶體管、電容和磁性元件。

　　SMPS設(shè)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。

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　　圖1 開關(guān)電源簡化示意圖

　　SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。這些器件開關(guān)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(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對開關(guān)器件的主要測量包括：開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。

　　開關(guān)電源系統(tǒng)的安全測量

　　工業(yè)電源的安全測量應(yīng)包括：測量高電壓和高電流，測量三相電電路，處理浮動設(shè)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(guān)損耗等均應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法定標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(shù)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(fù)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(jìn)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。

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　　圖2a 寄生電感和電容引起振蕩會使信號失真，導(dǎo)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(dá)不到設(shè)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(jié)果!

　　大多數(shù)示波器的”信號公共線”終端與保護(hù)性接地系統(tǒng)相連接，通常稱之為“接地”。這樣做的結(jié)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(jī)殼，通過使交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)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。

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　　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(jī)殼接地端會對用戶、DUT和儀器構(gòu)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(jié)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?！案印眳⒖冀拥氐氖静ㄆ魇峭ㄟ^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(shù)的TPS2000系列示波器,使得工程師和技術(shù)人員可以快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行多通道隔離測量。

　　因為浮動測量技術(shù)使機(jī)殼、機(jī)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(shù)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(yīng)力，雖然該應(yīng)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(zāi))，即使將示波器恢復(fù)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(zhǔn)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(jī)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(shù)作為解決方案。