開關(guān)電源測量分析解決方案

前言

開關(guān)電源供應(yīng)器（Switching Mode Power Supply）主要用途乃是將電力公司所提供的高壓、低穩(wěn)定性的交流電源，轉(zhuǎn)換成適合各種電子產(chǎn)品使用的低壓、穩(wěn)定性較佳的直流電源

今日開關(guān)電源的應(yīng)用已廣泛地使用在各個(gè)領(lǐng)域。而固緯GDS-3000示波器，搭配電源分析軟件包含了完整的電源質(zhì)量分析，諧波分析測試，紋波測試和涌入電流測試，可取代傳統(tǒng)使用示波器外加功率計(jì)的效能，為您在提供完整的工具的前提下，減少您所需投入的成本，讓您專注于電源的性能和使用效率以及先進(jìn)的電子和通信日常電子產(chǎn)品系統(tǒng)。

開關(guān)電源供應(yīng)器（Switching Mode Power Supply）依其功能上的差異，又可分為AC/DC（交流轉(zhuǎn)直流電源供應(yīng)器）、DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流電源供應(yīng)器）兩種產(chǎn)品。SMPS可廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、辦公室自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、通訊設(shè)備等。以目前的應(yīng)用及趨勢，朝向體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高的切換式電源供應(yīng)器將會是應(yīng)用的主流。這份文件將以介紹示波器的電源分析功能及相關(guān)應(yīng)用。

在切換式電源供應(yīng)器上包含了被動(dòng)、主動(dòng)和磁性組件，如圖1示。穩(wěn)壓電路的調(diào)整則利用場效式晶體管（MOSFET）或是IGBT等低損耗的電子半導(dǎo)體切換組件來取代一般的電阻，其主要目的在提供快速的切換，在順向偏壓導(dǎo)通（ON）時(shí)提供趨近為零的阻抗，在斷開（OPEN）時(shí)則可提供非常高的阻抗而形成開路的狀態(tài)，在高速的切換過程中，調(diào)整不同導(dǎo)通和斷開所周期時(shí)間比率（Duty Cycle）來穩(wěn)定輸出的電壓及大小。電壓的輸出及時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

圖1: SMPS電路示意圖

圖2: SMPS開關(guān)與電壓輸出關(guān)系

一般而言，在輸出端負(fù)載所看到的平均電壓為:

V_O（avg） = （t_on/T） x V_i

導(dǎo)通時(shí)間t_on越短，輸出電壓相對變小，一般切換的頻率高達(dá)20MH以上，切換裝置的控制是透過控制器輸出脈寬（PWM）調(diào)制訊號驅(qū)動(dòng)MOSFET閘極，控制斷開及導(dǎo)通，用以穩(wěn)定輸出電壓。越高的切換頻率則可減低輸出電壓的紋波，確保功率的穩(wěn)定輸出

固緯GDS-3000示波器功率測試介紹

    GDS-3000可選配電源分析軟件，其功能包含電源質(zhì)量（Power Quality）、諧波（Harmonics） 、紋波（Ripple）與涌入電流（In-rush current）。只要選配此電源分析軟件，便可以讓使用者省下購買相對昂貴的功率計(jì)（Power Meter）的費(fèi)用，讓使用者可以從示波器便輕易地取得電源測試的相關(guān)數(shù)據(jù)。

其功能介紹如下：

電源質(zhì)量（Power Quality）

設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)電源，需要評估開關(guān)電源一次測的質(zhì)量。實(shí)際供電電壓和電流波形不是理想的正弦波，而是包括失真及其它異常的現(xiàn)象。這種異常影響功率消耗，效率和可靠性。因此衡量電源質(zhì)量是非常重要的。

GDS-3000電源分析軟件除了計(jì)算基礎(chǔ)的參數(shù)，如視在功率（Apparent Power），有效功率（True Power），虛功率（Reactive Power）與功率因子（Power Factor）外（圖3），亦包含其它豐富的參數(shù)可供使用者用來判別電源質(zhì)量的優(yōu)劣（圖4）

圖3: 功率三角示意圖

圖4: GDS-3000 電源質(zhì)量測試圖解

若負(fù)載是非線性負(fù)載，例如整流性負(fù)載，電流波形就會失真。若電壓頻率是50Hz，將失真的電流經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換分析后，可將其電流組成分解為除了基頻（50Hz）外，倍頻（100Hz, 150Hz,…）成份的組合。其倍頻的成份就稱為諧波。由于近年來整流性負(fù)載的大量使用，造成大量的諧波電流的出現(xiàn), 也間接污染了市電。所以會有IEC61000-3-2這個(gè)法規(guī)的實(shí)施。來確保市電電壓的純正。

GDS-3000諧波測試包含了業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2（圖5），并可選擇Class A/B/C/D以符合各種不同應(yīng)用的需求（見表1與表2）。例如: Class A可測試三相電源設(shè)備、家電用品、調(diào)光器、音頻設(shè)備等；Class B可評斷攜帶式設(shè)備、非工業(yè)的電弧焊（arc welder）；Class C可評斷照明設(shè)備及Class D可評斷電視接收器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、及計(jì)算機(jī)屏幕相關(guān)功率與小于600W功率的裝置。因此使用GDS-3000的諧波測試功能，除可依使用者需求得到各階的諧波失真外，也可立即得到業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2的測試結(jié)果。相關(guān)的應(yīng)用選擇如下表所示

圖5: GDS-3000諧波測試顯示

紋波（Ripple）與噪聲（Noise）

• 紋波（Ripple）：

開關(guān)電源輸出的整體噪聲可以被視為是具有紋波和噪聲的組合（圖6）。紋波是開關(guān)電源的充放電所造成的電壓波動(dòng)事件。這種噪聲具有低的峰值/均值比。發(fā)生在基礎(chǔ)的開關(guān)頻率，通常被稱為噪聲的RMS值。紋波波形代表輸入和輸出電容的充放電效應(yīng)，增加輸入和/或輸出電容值可以降低紋波的影響。

• 噪聲（Noise）：
• （noise spike）發(fā)生在電源的開啟和關(guān)閉時(shí)。雖然噪聲的重復(fù)頻率是由開關(guān)電源的開關(guān)頻率來決定，噪聲尖峰的頻率普遍高于開關(guān)式電源的開關(guān)頻率。噪聲振幅會依開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路寄生效應(yīng)和PCB布局來變化。當(dāng)噪聲發(fā)生在一個(gè)較高的頻率時(shí)，噪聲尖峰極易受探棒或?qū)嶒?yàn)室設(shè)置的影響。

相較于其它示波器的電源量測功能僅能量測Ripple，GDS-3000透過自行研發(fā)技術(shù)，還能量測電源的Noise，讓使用者更能完整的預(yù)測電源的實(shí)際狀況，做出更的評估（見圖8）。其量測示意圖可參考圖7。

涌入電流（In-rush current）

涌入電流或浪涌電流（Surge Current）可視為: 當(dāng)開關(guān)電源*次啟動(dòng)時(shí)流入電子裝置瞬間zui大的輸入電流。如此高的初始電流為偏壓加入時(shí)，使電容造成瞬間短路的結(jié)果。設(shè)計(jì)人員須注意此一重要參數(shù)，就是當(dāng)切換器啟動(dòng)時(shí)，若控制失當(dāng)?shù)脑?，大量的涌入電流將會涌現(xiàn)，并在切換器上產(chǎn)生壓降，此時(shí)將對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生致命的沖擊。

此瞬間涌入的電流量測，目的在確認(rèn)電源供應(yīng)器的輸入電容的充電電流不會超過zui大額訂電流或超過輸入端的組件可承受的zui大電流。GDS-3000的電源分析軟件，透過一階涌入電流（First Peak）的計(jì)算，可讓設(shè)計(jì)者可以輕松地選擇保險(xiǎn)絲規(guī)格，省去手動(dòng)計(jì)算的耗時(shí)與錯(cuò)誤。而除了一階涌入電流的計(jì)算外，固緯的第二階涌入電流（Second Peak）觀測，讓使用者更可清晰地觀測待測物開機(jī)時(shí)瞬間的變化（見圖10）。其量測示意圖如圖9所示。

圖10: GDS-3000涌入電流測試顯

結(jié)語

今日開關(guān)電源的應(yīng)用已廣泛地使用在各個(gè)領(lǐng)域。而固緯GDS-3000示波器，搭配電源分析軟件包含了完整的電源質(zhì)量分析，諧波分析測試，紋波測試和涌入電流測試，可取代傳統(tǒng)使用示波器外加功率計(jì)的效能，為您在提供完整的工具的前提下，減少您所需投入的成本。

GDS-3000系列可選配差動(dòng)探棒或是電流探棒來進(jìn)行電源分析測試，包含3個(gè)25MHz/1400Vp-p*200衰減，50MHz/7000Vp-p*1000衰減以及100MHz/7000Vp-p*1000衰減的差動(dòng)探棒，和2個(gè)全新的50MHz/30A與100MHz/30A電流探棒。完整的功率測試效能，讓GDS-3000提供了整體解決方案以符合各式電源測試應(yīng)用的需求。