电源系统分析与测试

电源系统分析与测试宋磊泰克科技（中国）有限公司开关电源(SMPS)技术的发展趋势„效率越来越高„功率密度越来越高„瞬时负荷„低电压，高电流„宽带供电技术„符合EN61000-3-4AM14标准开关电源设计中的挑战„提升开关电源效率–降低开关损耗–最大限度地降低磁性器件的功率损耗–需要更快的控制环路响应„提高开关电源系统可靠性–符合宽带技术标准„需要简便易用、可靠的工具，定位问题面对这些挑战„测量–开关损耗和总平均损耗–磁性损耗–安全工作区–峰值磁通量密度–磁导率–控制环路响应–某个频率范围上的波纹–根据EN61000-3-2标准迅速进行测试测试工具如何帮助您提升开关电源系统效率导致SMPS效率低下的主要因素„开关器件的功率损耗–开关损耗–传导损耗„磁性器件的功率损耗–铁芯损耗–近场效应损耗–线圈损耗–漩涡电流损耗开关损耗VdsIdsPdsT1T2T3T4时间Ton损耗Toff损耗传导损耗4Ton损耗0开关器件的功率损耗:T1到T24总平均损耗0开关器件的功率损耗:T1到T44Toff损耗0开关器件的功率损耗:T3到T4开关损耗和总平均损耗的测量需求„动态范围:同时测量几百伏到几百毫伏的电压„消除电压探头和电流探头引起的时间偏移„差分探头和电流探头固有的噪声„SMPS的工作模式„识别真实开关转换测量开关损耗和总平均损耗„开关器件的典型开关电压–差分–信号特点如下~1V~500VAC/DCSMPS的开关电压~100’smV~50VDC/DCSMPS的开关电压„捕获AC/DC开关电压的DSO设置–50V/格„理想的样点到样点分辨率–500V/256~2V1V„捕获DC/DC开关电压的DSO设置–5V/格„理想的样点到样点分辨率–50V/256~100mV理解垂直刻度一定时8位DSO的灵敏度~1V~500VAC/DCSMPS的开关电压~100’smV~50VDC/DCSMPS的开关电压根据垂直刻度设置，DSO可能无法测量传导过程中的电压Time„TDSPWR3提供了高达150ADC的实时偏移校正功能„静态时间偏移校正功能支持所有泰克电流探头电压信号和电流信号之间的时间偏移„开关器件的测量挑战–电压探头和电流探头引起的时间偏移设置差分电压探头和电流探头„差分探头–为预热和稳定提供充足的时间–把两个差分输入连接到同一个测试点上–在示波器进行‘平均’测量–按照信号平均值零点调节DC平衡„电流探头–为预热和稳定提供充足的时间–对电流探头消磁–在示波器进行‘平均’测量–按照信号平均值零点调节DC平衡开关电流中的噪声„开关器件中的总平均损耗„DSO中测得的总平均损耗VdsId~500V~1nA~0A(噪声)Ton损耗Toff损耗传导损耗总平均损耗=Ton损耗+Toff损耗+传导损耗~2-5mA(由于测试设置导致的噪声)VdsId~500V总平均损耗=Ton损耗+Toff损耗+传导损耗_+关闭状态的功率损耗由于设置产生的不存在的损耗为在DSO中精确测量总平均损耗，必需消除电流中的噪声SMPS工作模式对总平均损耗的影响„总平均损耗的测量精度取决于–脉宽变化–SMPS拓扑–SMPS的开机时间–SMPS的负荷变化状态为精确测量开关损耗和总平均损耗，必需捕获整个事件理解需要长记录长度，以进行精确测量„有源功率因数校正电路APFCSMPS–改变脉宽，以在输出上保持恒定的电压–经过开关器件的电流会变化电压电流PWM信号对50Hz工频供电来说，10ms的记录长度可以保证捕获所有开关变化确定DSO记录长度的参数„取样速率应该至少是测得的模拟信号带宽的5倍„一般在一个边沿上需要5-8个样点;100ns转换至少要求50MS/s的取样速率„单次采集的记录时间与记录长度直接成正比记录时间(秒)=取样速率(样点/秒)记录长度(样点数量)计算记录长度„为同时查看50Hz线路信号(一个周期)，和100ns(8个样点/边沿)边沿的PWM信号„每条通道2MB记录长度、1.25GSa/s取样速率的示波器可以满足这一要求20ms记录长度(样点数量)=12.5ns=1.6MB识别真实的开关转换„开关损耗测量–必须识别真实的Ton和Toff转换，消除开关器件减幅振荡导致的误判–典型的信号特点VdsIds识别真实的开关转换„开关器件上的测量挑战–识别由于开关器件减幅振荡导致的真实的Ton和Toff转换IdVdsVg0解决方案4使用门驱动信号作为参考信号TDSPWR3设置开关器件的功率测量„测量类型–解决示波器伏/格设置中的灵敏度问题–光标选通允许选择数据，适应所有变化，进行精确测量TDSPWR3支持输入RDSon或Vce(sat)或setAuto选通数据进行测量TDSPWR3设置开关器件的功率测量„边沿分析–能够选择信号源，识别真实的开关转换„开关电压„门驱动电压–指定电平，识别边沿为边沿定义适当的参考电平边沿来源TDSPWR3设置开关器件的功率测量4Ton和Toff电平4灵活地定义开关电压和电流信号的参考电平4能够以绝对电平或峰到峰值幅度百分比的方式定义参考电平输入参考电平，测量Ton和Toff„信号调理TDSPWR3设置开关器件的功率测量信号调理功能将漏极电流在开关器件关断过程中设为零滤波器协助定位开机过程中正确的电流电平，以计算Ton损耗SMPS开关器件的功率损耗选通数据有源PFC中的Ton,Toff和总平均损耗推挽拓扑结构中的Ton,Toff和总平均损耗反激拓扑中的Ton,Toff和总平均损耗„设置–使用工频作为触发源–门级驱动信号作为参考边沿–捕获至少半个工频周期的开关电压和电流波形–最小采样率设为50MS/sAPFC中的开关损耗„结果–计算Ton,Toff和总损耗选通数据分析„设置–使用开关电压进行边沿分析–打开信号调理Flyback结构电源的开关损耗进行边沿分析的部分推挽式电路的开关损耗测量参考电平„设置–使用开关电压进行边沿分析–打开信号调理电子镇流器H桥开关损耗测量„捕获至少半个工频周期的开关电压和电流波形（Vds&Ids）„选择测量类型为周期和频率可变型„根据边沿设置参考电平然后进行测量磁性器件的功率损耗„磁性损耗–铁芯损耗„磁滞曲线内部的区域–涡流损耗„由磁阻引起的损耗–铜缆损耗„线圈电阻损耗不同磁性器件的功率损耗„单线圈电感–电感的功率损耗„耦合电感–每个绕组上的功率损耗之和„变压器–原边线圈上的功率损耗减所有负边线圈上的功率损耗„捕获电感中的电压„捕获电感中的电流„进行磁性损耗(选通OFF)测量–可以识别整数个周期„进行磁性损耗(选通On)测量–不能识别整数个周期„如在SMPS从DCM切换到CCM时„如有源PFCSMPS„对每个线圈重复测量„每个线圈上的磁性损耗之和，等于总损耗耦合电感中的磁性损耗测量„测量源边线圈的磁性损耗„测量每个副边线圈的磁性损耗„使用稳定状态负荷进行这一测量„保持相同的DPO设置，测量每个线圈的磁性损耗变压器上的磁性损耗=磁性功率@源边线圈减磁性功率@副边线圈变压器磁性损耗测量磁性损耗测量一条线圈导线上的功率损耗有源PFCSMPS中一条线圈导线上的功率损耗泰克测试与测量工具帮助你提升开关电源可靠性SMPS的可靠性问题„可靠性取决于–最大限度地降低波形减幅振荡和负荷瞬变，其可能会导致雪崩、功率损耗过高或不稳定条件–在安全工作区(SOA)内运行开关器件–在磁滞效应曲线的线性区域中运行磁性器件–控制环路的稳定工作定位可靠性问题„测量–安全操作区域(SOA)–使用HiPowerFinder功能–峰值磁通量密度–导磁率–控制环路调制分析„占空比变化„脉宽变化„频率变化„周期变化定位功率损耗过高和雪崩„HiPowerFinder安全工作区„实时SOA(使用泰克DPO功能)„选通区域中的SOA„SOA，支持模板测试安全工作区单线圈电感磁特性测量耦合电感/变压器磁特性测量„测量任何一个线圈中的电压„测量通过每个线圈的电流–电流探头应放在电流流动的方向中„输入导线的物理参数–匝数–磁路径长度–横截面面积„进行磁特性测量变压器中的磁特性测量控制环路响应„SMPS开机过程中的控制环路响应„有源PFCSMPS的控制环路响应宽带技术一致性测试„通过以太网传送功率–需要符合802.3af标准„测量波纹和噪声频率范围波纹和噪声极限(mVpk-pk)500Hz50020KHz-150KHz200150KHz-500KHz150500KHz-1000KHz50根据802.3af标准测量波纹和噪声„频谱分析设置开始频率和停止频率自动计算RBW结果根据EN61000-3-2标准进行预先一致性测试„TDSPWR3支持–EN61000-3-2标准–EN61000-3-2标准及AM14„在EN61000-3-2AM14中–为应用提供电路参数的功率、功率因数和基础电流等信息–确定基于测得值和电路参数的极限表–选择1.5秒滤波器EN61000-3-2标准预先一致性测试结果自动纹波测量„TDSPWR3–单键测量–开关纹波和工频纹波RippleduetolinefrequencyRippleduetoswitchingfrequency测试报告产生4TDSPWR3可以自动产生用户定义的测试报告4单个按钮就可以自动产生测试报告4创建报告模板，带示波器测量值，设置4纸张尺寸选择4可再编辑4容易转换的文件格式泰克功率测量解决方案„TDS5000/7000B/6000和CSA7000B示波器–350MHz及以上带宽–5GSa/s取样速率–在一条通道上提供了8MB的记录长度„差分探头–P5205,P5210,P5200差分探头„电流测量–TCPA300系统或TCP202电流探头„独特的功率应用–TDSPWR3功率测量和分析应用软件„时间偏移校正夹具–消除电压探头和电流探头之间的传播延迟开关电源提高W/cm3表面贴装技术无散热器效率问题提高可靠性降低成本电压降低改进EMCTDSPWR3电源分析于测试系统全面满足您的需求开关电源系统的安全测量工业电源您的挑战„测量高电压和高电流„测量三相电电路„处理浮动设备或具有不同接地的设备„检定数字控制电路„检定功率电子器件–瞬时功率分析,波形分析,相位角,谐波分析,开关损耗„符合行业标准和法定标准„测量三相供电设备的输入和输出„在各种极具挑战性的条件中工作–照明条件差–缺少交流电源–缺少工作台„把工作台、电源实验室和现场的测量结果关联起来„降低完成工作要求的仪器数量„根据内部要求和外部要求存档测量结果电路检验安装和维护传统示波器以地为参考点的测量CH1CH2外触发零线火线地线„以交流供电的传统示波器是以“地为参考点的测量“„交流供电的示波器必须与地线相接。探头的地线与示波器的机壳和所有通道的参考连接器电气相连，从而接到地电位。传统示波器Ch1probeCh1reference地参考点Ch2probeCh2reference123456地参考点传统交流供电示波器“差分”浮地测量－危险！„我们测量的Vc-d=（Va-b+V地环路电压）—V地环路电压（共摸）。„通过切断标准三头AC插座地线的方法或使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。将示波器从保护地线浮动起来，以减小地环路的影响。这种方法其实并不可行，因为在建筑物的布线中中线也许在某处已经与地线相连。„是不安全的测量方法，会带来人身伤害、仪器和电路损坏！！！„采用差分探头或采用隔离通道、直流供电、安全浮置的示波器进行安全测量。零线火线大地示波器电源接地阻抗AB电阻阻抗Va－b探头地线阻抗探头阻抗地环路阻抗地环路电流V地环路电压电源系统地线阻抗和示波器电源变压器绕组间电容相串联构成的复杂阻抗参考点“0”V非地cd浮地电压(共摸电压)Vcd耳朵到耳朵~100W头到脚~500W干燥的皮肤~100KWto600KW湿润的皮肤~1KW人体阻抗图Source:SiemensSafetyDept.Source:SiemensSafetyDept.当110/220V流经人体各部位电流值220V耳朵to耳朵1.1Amp2.2Amp头to脚220mA440mA湿润的皮肤110mA220mA干燥的皮肤1m