用示波器进行开关电源测量和分析

　　1）、开关电源是一种高频开关式的能量变换电子电路，常作为设备的电源供应器，常见变换分类有：AC-DC、DC-DC、DC-AC 等。

　　2）、开关电源原理框图

图1  开关电源原理框图

　　（1）市电进入电源后，首先经过是最前级的EMI 滤波电路部份，EMI 滤波的主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时还有减少开关电源本身对外界的电磁干扰。实际上它是利电感和电容的特性，使频率为50Hz 左右的交流电可以顺利通过滤波器，而高于50Hz 以上的高频干扰杂波将被滤波器滤除。

　　（2） 经过EMI 滤波，所得到较为平整的正弦波交流电被送入前级整流电路进行整流，整流工作都由全桥式整流二极管来担任。经过全桥式整流二级管整流后，电压全部变成正相电压。不过此时得到的电压仍然存在较大的起伏，这就必须使用高压滤波电容进行初步稳压，将波形修正为起伏较小的波形。

　　（3）把直流电转化为高频率的脉动直流电，这一步由控制电路来完成。输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。控制电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。

　　（4）把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压。再由二极管和滤波电容组成的低压滤波电路进行整流和滤波就得到了设备上使用的纯静的低压直流电。

　　3）、开关电源特点：

　　（1）开关电源是一种非线性电源，体积和重量轻。

　　（2）功率晶体管工作在开关状态，晶体管上的功耗小，转化效率高。

　　2  开关电源测量考虑

　　目前的电源设计人员在开发高效率、低成本电源的过程中正面临着越来越多的限制。过去，设计人员的主要目标是经济高效的解决方案。而现在，不断上涨的能源成本使电源效率倍受关注。另外，例如设计紧凑性、向数字控制技术的过渡、更严格的电压容限和电力质量管理规定以及 EMI规定等方面的限制都迫切要求进行快速、可靠的电源测试。日益增加的设计限制使目前的电源设计人员必须花费更多的时间进行功率设备的测量和分析。

　　尽管在最近几年中，许多示波器的分析能力都有所提高，但是，仍然经常看到设计人员手动执行测量和表征的情况。这些测量通常都需要大量的时间来进行捕获、分析和报告。

　　现在，您在表征功率设备时可以不再用耗费时间的手动测量了。用于安捷伦示波器的 U1881A 和 U1882A 功率测量应用软件提供全套功率测量，可以直接在 Infiniium 8000 和9000系列示波器上运行，或在独立 PC 上运行并与 InfiniiVision5000,6000 和 7000 系列示波器一起使用。安捷伦功率测量应用软件除了偏移校正和生成报告以外还提供了 7 种模块，以帮助您表征设备（功率设备分析、输入线路分析、输出分析、打开/关闭分析、瞬时分析、调制分析）。每个模块都包括相关的测量和设置选择，可以轻松进行重复测试。

表1 开关电源测试参数

　　3 自动偏移校正和 U1880A 偏移校正夹具

　　功率测量是用电压和电流探头测得的电压和电流波形逐点相乘的结果。为了执行精确的功率测量和计算，必须使用称为"偏移校正"的程序来均衡电压和电流探头之间的时间延迟。这个步骤非常重要，因为电压和电流迹线定时一旦差之毫厘，瞬时功率读数就可能谬之千里。为了校正这对探头，需要使用 U1880A 偏移校正夹具，利用相同的脉冲信号驱动电压和电流探头。您只需单击菜单，夹具就会自动执行偏移校正并将偏移校正值保存在功率测量软件中，当您下一次启动功率测量应用软件时，便可以使用所保存的偏移校正值或再次执行偏移校正。[page]

　　偏移校正精度是由电压和电流探头的电子特征以及被测信号的上升时间决定的。通常，较高带宽的探头将支持更好的上升时间保真度和更出色的偏移校正分辨率。安捷伦的 N2790A、N2791A、N2792A 和N2793A 可以很好的完成测量。建议将 U1880A 偏移校正夹具与以下电压和电流探头组合 （已给出各种测试信号上升时间特征值） 配合使用。

图2  偏移校准

　　4  功率设备分析

　　电源的开关损耗决定其效率。您可以在一个指定的开关周期内轻松表征开关设备的瞬时功率损耗和传导功率损耗。动态 ON 电阻测量可以显示功率晶体管在传导电流时的功率损耗。为了确定电源的可靠性，必须测量动态负载变化过程中的功率损耗并观察 SOA （安全工作区） 图表。您可以使用示波器上的深采集存储器和 SOA 图表，轻松识别在功率晶体管导通时发生的功率损耗。

图3 以图形和表格"列表"两种格式显示功率设备分析结果

　　5  输入线路分析

　　电源设计人员需要对线路功率进行表征，确定在不同电源工作条件下的电力质量、谐波和传导发射。一些隐含的测量包括实际功率、视在功率、无功功率和波峰因数，以及与 IEC61000-3-2 （A、B、C、D 类） 和 RTCA DO160E 等标准相关的谐波的图形显示。通过使用电流探头和功率测量软件 （具有 FFT 数学函数），您可以测量导通功率电路上的谐波。

图4  输入线路分析结果

　　6  调制分析

　　调制分析使您可以快速查看 PWM信号打开时和关闭时的信息，因为信息带宽比脉冲开关频率小得多，所以以前很难观测这些信息。绘制 PWM 信号在一段较长时间内打开或关闭时的内嵌变量图形，可以显示反馈环路系统的控制环路响应。此测量通过以下方式表现采集波形开关变化的数据趋势：

　　● 频率/时间

　　● 周期/时间

　　● 占空比/时间

　　● 正脉冲宽度/时间

图5  调制分析结果

　　7  输出分析

　　此模块能够表征输出直流电压中的纹波 （交流或开关） 成分。纹波是叠加在电源直流输出的交流分量。电路频率和开关频率都可能产生纹波。此测量将显示纹波峰峰值和捕获信号的频率响应。[page]

图6  输出分析结果

　　8  打开时间/关闭时间分析

　　此模块将测量施加输入电压后电源输出电压变成稳定状态所用的时间（打开时间），以及移除输入电压之后电源输出电压关闭所用的时间（关闭时间）。

图7  打开/关闭分析结果

　　9  瞬时响应分析

　　电源很可能遇到瞬时情况（例如打开和关闭瞬时）以及输出负载和线路输入电压的突然变化。这些情况引出了一个关键的电源技术指标： 负载瞬时响应。此模块测量直流输出的负载瞬时响应，即负载变化时直流输出变成稳定状态所用的时间。

图8  瞬时响应结果

　　10  生成报告

　　在进行了一次测试或运行了一个测试模块之后，View Report 选项卡中将会显示各种测量数据和图表，供您归档和进行数据共享。报告以 .htm 格式保存。每个报告都包括相关测试信息的预先汇总。报告将自动保存在您选定的目录下的测试文件夹中。

图9  自动生成报告使测试结果轻松归档