??????前言

　　電源幾乎對(duì)于每種外接電源的電子產(chǎn)品都必不可少，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)(SMPS)已成為數(shù)字計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)中的主流結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)電源的性能(或者故障)就可能對(duì)一個(gè)昂貴的大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

　　要確保即將實(shí)現(xiàn)的SMPS設(shè)計(jì)可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，測(cè)量是唯一的辦法。SMPS測(cè)量分為三個(gè)主要部分：有源器件測(cè)量、無(wú)源器件測(cè)量(主要是磁性元件)以及電源質(zhì)量測(cè)試。有些測(cè)量可能要面對(duì)浮動(dòng)電壓和強(qiáng)電流;有些測(cè)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(cè)量可能很復(fù)雜,特別是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)量中安全技術(shù)為引人注目什么吶?應(yīng)先從當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源(SMPS)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計(jì)中的挑戰(zhàn)說(shuō)起。

　　開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的特點(diǎn)是：效率越來(lái)越高;功率密度越來(lái)越高;瞬時(shí)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(kāi)關(guān)電源沒(méi)計(jì)中面對(duì)提升開(kāi)關(guān)電源效率，降低開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)便易用、可靠的工具，以及定位問(wèn)題。

開(kāi)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(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，因?yàn)樗軌蛴行У貞?yīng)對(duì)變化負(fù)載。典型SMPS的電能“信號(hào)通路”包括無(wú)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(wú)損耗的元器件：開(kāi)關(guān)晶體管、電容和磁性元件。

　　SMPS設(shè)備有一個(gè)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(jiǎn)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(wú)源器件以及磁性元件。

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???????????????????????????????????? ?圖1 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)化示意圖

　　SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場(chǎng)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(kāi)關(guān)器件。這些器件開(kāi)關(guān)時(shí)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(kāi)通還是斷開(kāi)狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開(kāi)關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對(duì)開(kāi)關(guān)器件的主要測(cè)量包括：開(kāi)關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。

??????開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的安全測(cè)量

　　工業(yè)電源的安全測(cè)量應(yīng)包括：測(cè)量高電壓和高電流，測(cè)量三相電電路，處理浮動(dòng)設(shè)備或具有不同接地的沒(méi)備，檢定數(shù)字控制電路，檢定功率電子器件的瞬時(shí)功率分析、波形分析、相位角及開(kāi)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(cè)量

　　以交流供電的傳統(tǒng)示波器是以“地為參考點(diǎn)的測(cè)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(diǎn)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(cè)量”危險(xiǎn)!

　　我們測(cè)量的Vc-d=(Va-b+V地環(huán)路電壓)-V地環(huán)路電壓(共模)。

　　通過(guò)用切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)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(dòng)起來(lái)，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并可行，因?yàn)樵诮ㄖ锏牟季€中其中線也許在某處已經(jīng)與地線相連。是不安全的測(cè)量方法，會(huì)帶來(lái)人身傷害和儀器和電路損壞!

　　不能使用傳統(tǒng)示波器測(cè)量技術(shù)的原因如下：

　　·分布電容和電感降對(duì)待測(cè)點(diǎn)帶來(lái)超過(guò)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(cè)量!也不可使用隔離變壓器進(jìn)行差分測(cè)量!

　　·分布電容和電感還可能帶來(lái)原本沒(méi)有的振鈴! 見(jiàn)圖2(a)所示。

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??????圖2a 寄生電感和電容引起振蕩會(huì)使信號(hào)失真，導(dǎo)致測(cè)量無(wú)效。

　　·示波器在沒(méi)有接地的情況下,其電磁兼容特性降達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可能干擾待測(cè)電路或受到空間電磁波的干擾，影響測(cè)量結(jié)果!

　　大多數(shù)示波器的”信號(hào)公共線”終端與保護(hù)性接地系統(tǒng)相連接，通常稱(chēng)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(hào)都具有一個(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)殼，通過(guò)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(gè)測(cè)試點(diǎn)上。這是一種不安全的測(cè)量行為。此行為會(huì)將儀器底盤(pán)(不再接地)的電壓提高為與探頭地線相連的測(cè)試點(diǎn)電壓相同。觸摸儀器的用戶(hù)就會(huì)成為接地的最短路徑。圖2(b)說(shuō)明了這種危險(xiǎn)的情況。

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??????????????????????? 圖2b 示波器底盤(pán)上出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓的浮動(dòng)測(cè)量

　　圖2b中的V1是高于真實(shí)接地電壓的“偏置”電壓，而VMeas是待測(cè)電壓。根據(jù)被測(cè)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(dòng)機(jī)殼接地端會(huì)對(duì)用戶(hù)、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(cè)量結(jié)果也差。而且交流供電儀器在地面浮動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寄生電容。因此，浮動(dòng)測(cè)量將受到振蕩性的破壞，即圖2(a)所示的振鈴出現(xiàn)。

浮動(dòng)測(cè)量新方法的引入

　　所謂“浮動(dòng)”測(cè)量，即測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)都不處于接地電位，該測(cè)量也常稱(chēng)為差分測(cè)量。

　　“信號(hào)公共線”與地之間的電壓可能會(huì)升高到數(shù)百伏?！案?dòng)”參考接地的示波器是通過(guò)使接地系統(tǒng)無(wú)效或使用隔離變壓器，將“信號(hào)公共線”從地面斷開(kāi)。為此需要通過(guò)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(cè)量。

　　因?yàn)楦?dòng)測(cè)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(diǎn)的電勢(shì)，而該技術(shù)是危險(xiǎn)的，不僅是因?yàn)樗吡耸静ㄆ魃洗嬖诘碾妷?操作人員可能會(huì)遭到電擊)，還因?yàn)樗蚴静ㄆ鞯碾娫醋儔浩鹘^緣體上累積了應(yīng)力，雖然該應(yīng)力不會(huì)立即引發(fā)故障，但是可能在將來(lái)引發(fā)危險(xiǎn)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(wú)法挽回。這就有可能造成不僅浮動(dòng)參照接地的示波器很危險(xiǎn)，而且會(huì)使測(cè)量方法不準(zhǔn)確，即該電勢(shì)的誤差是由于在地線連接點(diǎn)處直接將示波器機(jī)殼的總電容與被測(cè)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。

?????? 隔離通道技術(shù)

　　在當(dāng)今使用的寬帶示波器系統(tǒng)中，最常用的隔離方法是雙路方法，將輸入信號(hào)分為兩個(gè)信號(hào)：低頻和高頻。該方法需要每個(gè)輸入通道都具有昂貴的光耦合器和寬帶線性變壓器。

　　使用創(chuàng)新的隔音技術(shù)，取消了雙路方法，而對(duì)每個(gè)從直流到示波器帶寬的輸入通道僅使用一個(gè)寬帶信號(hào)通路。通過(guò)該技術(shù)，可以提供第一批具有四個(gè)輸入 (1solated Channel)、低成本并使用電池供電的示波器，該電池可供示波器連續(xù)工作八個(gè)小時(shí)。對(duì)于需要進(jìn)行四通道隔離測(cè)量，并希望獲得由低成本并使用電池供電的示波器提供的性能和易用性的工程師和技術(shù)人員來(lái)講,選擇內(nèi)置有隔離通道技術(shù)的TPS2000系列示波器是理想工具。

　　圖3說(shuō)明了隔離通道的概念。

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圖3 將安全放在第一位的IsolatedChannel技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行多通道隔離測(cè)量

　　四隔離通道輸入體系結(jié)構(gòu)向”正”輸入和”負(fù)基準(zhǔn)”導(dǎo)線(包括外部觸發(fā)輸入)提供了真實(shí)且完整的通道間隔離。

　　電源控制電路(例如電機(jī)控制器、不間斷電源和工業(yè)設(shè)備)中的浮動(dòng)測(cè)量要求最為嚴(yán)格。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電壓和電流可能大到足夠?qū)τ脩?hù)和測(cè)試設(shè)備造成威脅。

　　要保證測(cè)量質(zhì)量，隔離通道技術(shù)是首選解決方案，并且該技術(shù)始終將安全放在第一位。如果存在較大的共模信號(hào)，能有效的通道與通道隔離將寄生效應(yīng)的影響降到最低，測(cè)量系統(tǒng)的容量越小，那么它與環(huán)境的交互影響也就越小。完全隔離的電池供電儀器本身并不涉及接地問(wèn)題。每個(gè)探頭都具有一條與儀器底盤(pán)隔離的”負(fù)基準(zhǔn)”導(dǎo)線，而不是使用一條固定的地線。

　　而且，所有輸入通道的“負(fù)基準(zhǔn)”導(dǎo)線都彼此隔離。這是避免短路危險(xiǎn)的最佳方法。它還在最大程度上降低了信號(hào)弱化阻抗，而該阻抗會(huì)影響單點(diǎn)接地儀器中的測(cè)量質(zhì)量。

　　無(wú)論使用電池電源還是通過(guò)交流電源適配器連接到交流電源，TPS2000系列示波器的輸入始終是浮動(dòng)的。因此，這些示波器與傳統(tǒng)示波器所體現(xiàn)的限制并不相同。傳統(tǒng)示波器側(cè)重于性能(帶寬，多功能性)，犧牲了進(jìn)行浮動(dòng)測(cè)量的能力。

電源質(zhì)量測(cè)量

　　根據(jù)SMPS組成,它的測(cè)量可分有源器件(開(kāi)關(guān)元件)測(cè)量、元源器件(磁性元件) 測(cè)量、輸入交流供電測(cè)量及電源質(zhì)量測(cè)量,值此僅對(duì)電源質(zhì)量測(cè)量作介紹。

　　電源質(zhì)量不僅僅取決于發(fā)電機(jī)。它還取決于電源的設(shè)計(jì)和制造以及最終用戶(hù)負(fù)載。電源的電源質(zhì)量特征定義了電源的“健康”狀況。

　　現(xiàn)實(shí)的電線從來(lái)不會(huì)提供理想的正弦波，線路上總是有一些失真和雜波。開(kāi)關(guān)電源給供電電源施加了一個(gè)非線性負(fù)載。因此，電壓和電流波形不是完全相同的。電流在輸入周期的某一部分被吸收，使輸入電流波形上產(chǎn)生諧波。確定這些失真的影響是電源工程的一個(gè)重要部分。

　　為了確定電源線上的功率消耗和失真，應(yīng)該在輸入階段進(jìn)行電源質(zhì)量測(cè)量，如圖4為所示的電壓和電流測(cè)試點(diǎn)。

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圖4 開(kāi)關(guān)電源電源質(zhì)量測(cè)試點(diǎn)示意圖，電源質(zhì)量測(cè)試必須使用同一時(shí)刻的輸入VAC和IAC讀數(shù)

　　電源質(zhì)量測(cè)量包括：有功功率;視在功率或無(wú)功功率;功率因數(shù);波峰因數(shù);根據(jù)EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的電流諧波測(cè)量;總諧波失真(THD)。

　　應(yīng)用具有運(yùn)行軟件包(如TDSPWR3)的數(shù)字示波器并行電源質(zhì)量測(cè)量。

　　運(yùn)行軟件包(如TDSPWR3)的數(shù)字示波器，如TDS5000B系列是替代傳統(tǒng)的功率表和諧波分析儀進(jìn)行電源質(zhì)量測(cè)量的有力工具。

　　使用數(shù)字示波器比傳統(tǒng)工具有明顯的優(yōu)勢(shì)。儀器必須能捕獲到基波的高達(dá)50次諧波分量。根據(jù)各地使用的標(biāo)準(zhǔn)，電源工頻頻率通常是50Hz或60Hz。在當(dāng)今的高速示波器中，過(guò)采樣確保能夠詳細(xì)地(高分辨率)捕獲快速變化的事件。相反，由于響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，傳統(tǒng)功率表可能忽略信號(hào)細(xì)節(jié)。即時(shí)在非常高的采樣分辨率下，示波器的記錄長(zhǎng)度也足以采集整數(shù)個(gè)周期。

　　軟件工具能加快測(cè)量過(guò)程，并將設(shè)置時(shí)間降至最低。大多數(shù)電源質(zhì)量測(cè)量都能由示波器上運(yùn)行的功能完備的電源測(cè)量軟件自動(dòng)進(jìn)行，數(shù)秒中內(nèi)就能完成漫長(zhǎng)的過(guò)程。示波器減少了手工計(jì)算，成為非常通用高效的功率表。

　　數(shù)字示波器探頭也有助于進(jìn)行安全、可靠的電源測(cè)量。用于電源應(yīng)用的高壓差分探頭是觀察浮動(dòng)電壓信號(hào)的首選工具。

　　電流探測(cè)需要特殊的考慮。有幾種電流探頭結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)：交流電流探頭基于電流互感器(CT)技術(shù),CT探頭是非插入的，不能感應(yīng)信號(hào)中的直流分量，這可能會(huì)造成測(cè)量不準(zhǔn)確;分流器,該設(shè)計(jì)要求切斷電路，會(huì)在探頭內(nèi)部形成電壓降，可能影響電源測(cè)量的準(zhǔn)確性;交流/直流電流探頭一般基于霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù),該設(shè)備以非插入方式感應(yīng)交流/直流電流，能夠用一個(gè)連接同時(shí)讀取交流和直流分量。

　　當(dāng)給一臺(tái)數(shù)字示波器(如TDS5054B)配備了TDSPWR3軟件時(shí).它就變成了一個(gè)真正的自動(dòng)電源測(cè)量平臺(tái)。該軟件自動(dòng)設(shè)置示波器及其初始測(cè)量參數(shù)。如果需要，可以手工對(duì)這些設(shè)置進(jìn)行細(xì)調(diào)。

　　圖5顯示了用TDSSOOOB系列示波器和TDSPWR3測(cè)量分析軟件得到的電源質(zhì)量和電流諧波讀數(shù)。顯示器顯示了一系列豐富的測(cè)量，包括有功功率、視在功率、波峰因數(shù)、總諧波失真、功率因數(shù)、以及電流諧波的條形圖顯示。

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結(jié)語(yǔ)

　　專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員要面對(duì)SMPS高壓和電流測(cè)量，必須解決測(cè)量中的安全性問(wèn)題,即運(yùn)行于具有潛在危險(xiǎn)的浮動(dòng)測(cè)量。對(duì)此,當(dāng)今有多種可選技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行浮動(dòng)測(cè)量,值此僅以?xún)?nèi)置具有IsoatedChanneI技術(shù)的TPS 2000寬帶示波器為例作為解決方案, 即隔離和浮動(dòng)測(cè)量功能+實(shí)驗(yàn)室示波器的性能+現(xiàn)埸通用+功率專(zhuān)用測(cè)量和分析,等于高的生產(chǎn)效率，那就是浮動(dòng)測(cè)量新方法的應(yīng)用，其特點(diǎn)是具有多功能性、準(zhǔn)確性或經(jīng)濟(jì)性。