淺析開關(guān)電源的測量中安全性解決方案
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(jì)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(gè)昂貴的大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。
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(jì)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(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，測量是唯一的辦法。SMPS測量分為三個(gè)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(jì)中的挑戰(zhàn)說起。
開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢的特點(diǎn)是：效率越來越高;功率密度越來越高;瞬時(shí)負(fù)荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術(shù)及符合EN6100003-4A14標(biāo)準(zhǔn)。
開關(guān)電源沒計(jì)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?yàn)樗軌蛴行У貞?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(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。控制部分可能有自己的電源。圖1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。
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(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(shí)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(diǎn)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(diǎn)相連，從而接到地電位。而傳統(tǒng)交流供電示波器“差分浮地測量”危險(xiǎn)!
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(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)地線浮動起來，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(diǎn)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。
·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(jì)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(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)測試點(diǎn)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(diǎn)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(xiǎn)的情況。
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(shí)會出現(xiàn)一個(gè)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(gè)點(diǎn)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。“浮動”參考接地的示波器是通過使接地系統(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?yàn)楦訙y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，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)力不會立即引發(fā)故障，但是可能在將來引發(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(xiǎn)，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(diǎn)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(LsoIatedChanneI)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，將輸入信號分為兩個(gè)信號：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)寬帶信號通路。通過該技術(shù)，可以提供第一批具有四個(gè)輸入(1solatedChannel)、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)。對于需要進(jìn)行四通道隔離測量，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)中的浮動測量要求最為嚴(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脩艉蜏y試設(shè)備造成威脅。
要保證測量質(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，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題。每個(gè)探頭都具有一條與儀器底盤隔離的”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弱化阻抗，而該阻抗會影響單點(diǎn)接地儀器中的測量質(zhì)量。
無論使用電池電源還是通過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)行浮動測量的能力。
電源質(zhì)量測量
根據(jù)SMPS組成,它的測量可分有源器件(開關(guān)元件)測量、元源器件(磁性元件)測量、輸入交流供電測量及電源質(zhì)量測量,值此僅對電源質(zhì)量測量作介紹。
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)的電線從來不會提供理想的正弦波，線路上總是有一些失真和雜波。開關(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)量測量，如圖4為所示的電壓和電流測試點(diǎn)。
圖4開關(guān)電源電源質(zhì)量測試點(diǎn)示意圖。電源質(zhì)量測試必須使用同一時(shí)刻的輸入VAC和IAC讀數(shù)
電源質(zhì)量測量包括：有功功率;視在功率或無功功率;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。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)間相對較長，傳統(tǒng)功率表可能忽略信號細(xì)節(jié)。即時(shí)在非常高的采樣分辨率下，示波器的記錄長度也足以采集整數(shù)個(gè)周期。
軟件工具能加快測量過程，并將設(shè)置時(shí)間降至最低。大多數(shù)電源質(zhì)量測量都能由示波器上運(yùn)行的功能完備的電源測量軟件自動進(jìn)行，數(shù)秒中內(nèi)就能完成漫長的過程。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、可靠的電源測量。用于電源應(yīng)用的高壓差分探頭是觀察浮動電壓信號的首選工具。
電流探測需要特殊的考慮。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)信號中的直流分量，這可能會造成測量不準(zhǔn)確;分流器,該設(shè)計(jì)要求切斷電路，會在探頭內(nèi)部形成電壓降，可能影響電源測量的準(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)真正的自動電源測量平臺。該軟件自動設(shè)置示波器及其初始測量參數(shù)。如果需要，可以手工對這些設(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。
結(jié)語
專業(yè)技術(shù)人員要面對SMPS高壓和電流測量，必須解決測量中的安全性問題,即運(yùn)行于具有潛在危險(xiǎn)的浮動測量。對此,當(dāng)今有多種可選技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行浮動測量,值此僅以內(nèi)置具有IsoatedChanneI技術(shù)的TPS2000寬帶示波器為例作為解決方案,即隔離和浮動測量功能+實(shí)驗(yàn)室示波器的性能+現(xiàn)埸通用+功率專用測量和分析,等于高的生產(chǎn)效率，那就是浮動測量新方法的應(yīng)用，其特點(diǎn)是具有多功能性、準(zhǔn)確性或經(jīng)濟(jì)性。
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