开关电源的最大效率验证和检定

为保证在可接受的折衷方案下达到最佳效率,验证和检定开关电源(SMPS)的设计是十分重要的。可通过下列方式完成:测定开关功率损耗和磁功率损耗来确定电源效率;测定电源质量和谐波掌握电源线路上的开关电源的作用。

  电力系统的最大能量损耗通常发生在AC/DC和DC/DC电源的功率转换期间。基本上每个设计都会优先考虑节能,因此转换功率在80%到90%之间的开关电源成为主流。理想状态下,所有电源都按照数学模型工作。然而,在现实世界中却存在着各种问题,例如:部件存在缺陷、负载变化不定、线路功率失真和环境频繁变化。为保证在可接受的折衷方案下取得最佳效率,关键是要验证和检定开关电源的设计。要完成这些任务,通常需要测定开关功率损耗和磁功率损耗来确定开关电源的效率,还要测定电源质量和谐波掌握电源线路上的开关电源的作用。

  测量开关损耗

  开关电源中的开关晶体管切换速度快,最大程度地减少了能量损耗。对于开关电源来说,开关晶体管在开或关状态下少量散热时损耗的能量最多。在切换期间发生能量损耗,这是因为储存在二极管的电能以及储存在寄生电感和寄生电容的电能被释放出来。“关断损耗”是指设备从开到关过程中的损耗。“关断损耗”同样也指开关设备从关到开过程中的能量损耗。下面是计算切换过程中产生的能量损耗的公式:

  式中:ETRANSITION指开关在切换过程中产生的能量损耗;vA(t)指开关的瞬时电压;iA(t)指开关的瞬时电流;t1指切换完成的时间;t0指切换开始的时间。

  整个开关周期发生的总能量损耗由接通开关损耗、关断开关损耗和导电损耗构成。下面是总损耗的计算公式:ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中:ELOSS指开关周期内晶体管的能量损耗;ETURN-ON和ETURN-OFF均为开关损耗;EON指导电损耗。

  分析上述损耗对检定电源、估计其效率是必要的,可采用示波器测开关损耗(图1)。使用带有专业功率分析软件的示波器,可测出多开关周期的开关损耗和导电损耗,从而确定设备在不同时间的特性。从测量统计数据中,可观察到测量结果的变化情况。要准确的测出接通损耗和关断损耗是一项挑战,因为损耗只在短时间内发生,在开关周期剩下的时间里是极少出现的。测定上述损耗需要对电压波形和电流波形进行精确的计时,而且测量系统的偏差要达到最小。

图1  带有专业功率分析软件的示波器

  图1  带有专业功率分析软件的示波器可显示多开关周期的开关损耗和导电损耗,从而确定设备在不同时间的特性    图2 可用带有功率分析软件的示波器功率损耗测单绕组电感器的功率损耗。通道1($轨迹)是电感器上的电压,通道2(蓝色轨迹)是用非插入式电流探针测得的通过电感器的电流。功率测量软件自动计算功率损耗,并以图的形式显示出来(278.1 mW)

  测量磁功率损耗

  电感器和互感器通常功率损耗都比较小,常被开关电源用来滤波和改变电压电平。电感器的阻抗随频率的升高而增大,阻止的高频率比低频率多。这种特性对电源输入输出的滤波有利。

  互感器将初级绕组的交流电压和交流电流耦合到次级绕组,使电压或电流(其中一种)的信号电平增大或减小。互感器初级可接受120V的电压,通过按比例增大次级的电流,使次级的电压降到12V。互感器的初级和次级采用的不是电气连接,在电路元件之间还是需要隔离。

  磁功率损耗影响电源的效率、可靠性和热性能。与磁性元件相关的功率损耗有两种:铁芯的铁耗和铜绕组的铜耗。磁损耗等于铁耗和铜耗之和。其中,铁耗由磁滞损耗和涡流损耗组成,铜耗则是铜绕组线的电阻引起的。

  从磁芯卖方提供的数据表和带功率测量软件的示波器得出的结果可推导出总功率损耗和磁芯损耗。然后,通过这两个值计算出铜耗。知道功率损耗元件后,可弄清出磁性元件产生功率损耗的原因。

  磁性元件总功率损耗的计算方法部分取决于被测元件的类型。被测设备可为单绕组电感器、多绕组电感器或互感器。图2所示为单绕组电感器的测量结果。通道1($轨迹)是电感器上的电压,通道2(蓝色轨迹)是用非插入式电流探针测得的通过电感器的电流。功率测量软件自动计算功率损耗,并以图的形式显示出来(278.1 mW)。
图2  单绕组电感器的测量结果

  为达到最佳性能,设计者一般利用从厂商处获得的磁滞曲线来指定磁性元件。在特性曲线中规定了磁性元件磁芯材料的性能范围。为保证运行过程中工作电压和工作电流保持在磁滞曲线的线性区域内,有必要对开关电源内的磁性元件进行检定。采用专用功率测量软件,可以大大的简化用示波器测定磁性的步骤。很多时候,只需测出电压和励磁电流,然后由软件来完成磁性测量的计算。磁性测量可在单绕组电感器上进行,也可在配有初级电流源和次级电流源的互感器上进行。

  图3    本图所示为互感器的磁滞曲线图,通道1($轨迹)是互感器电压,通道2(蓝色轨迹)是初级电流,通道3(金色轨迹)是次级电流。软件根据来自通道2和通道3的数据来确定励磁电流

图3    互感器的磁滞曲线图

图4    在没有两根探针偏斜校正的情况下测出的结果(5.141W)

  在图3中,通道1($轨迹)是互感器电压,通道2(蓝色轨迹)是初级电流,通道3(金色轨迹)是次级电流。软件根据来自通道2和通道3的数据来确定励磁电流。某些功率测量软件还能精确地绘制磁性元件的磁滞曲线图,并检定其特性。在软件绘制磁滞曲线图前,必须先输入磁芯的圈数、磁长度和横截面积。

  探测考虑因素

  采用示波器测量功率的话,必须测量MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关设备漏极到源极节点的电压和电流或IGBT(绝缘栅双极晶体管)集电极到发射极节点的电压和电流。这就需要高压差分探针和电流探针。每个探针都有各自的特性传播时延。两个时延之间的差或偏移会造成功率测量不准、定时测量失真。

  了解探针传播时延对最大峰值功率和面积测量的影响具有重要的意义。毕竟,功率是电压和电流作用的产物。如果两个相乘变量不是完全时序一致,结果则是错误的。探针没有正确地进行偏斜校正时,测量结果(如开关损耗)的准确性会变差。例如,图4显示的是在没有先对两根探针进行偏斜校正的情况下工程师测出的结果(5.141W)。图5中所示结果则证明了探针偏斜校正的重要性。本例表明偏移会造成5.3%的测量误差。进行准确的偏斜校正会减小峰-峰功率损耗的测量误差。

  有些功率测量软件可自动对选中的探针组合进行偏斜校正。它通过有源信号调整电压通道和电流通道之间的时延,从而消除在探针之间产生的传播时延。静态偏斜校正(如可用)功能实现的基础是特定电压探针和电流探针具有恒定而重复的传播时延。静态偏斜校正功能根据选定探针的传播时间嵌入表自动调整选定电压通道和电流通道之间的时延。

  此外,差分探针和电流探针可存在小幅偏差。由于偏差会影响精确度,开始测量之前应该先消除偏差。一些探针本身植入了自动消除偏差的方法。这种探针与示波器一起使用,可消除信号通道中的任何直流偏移误差。电流探针互感器的磁芯中可产生大量输入电流,通过消磁可除去残余的全部直流磁通。

  电力线路

  对AC/DC电源而言,电力线路测量(如电能质量和线路谐波等)对检定开关电源的相互作用及其使用环境有重要的意义。实际上,电力线路总是存在失真和杂质,所以从未供应过理想的正弦波。而且,开关电源对源呈现出非线性负载的特性,因此,电压波形和电流波形是不理想的。开关电源会吸引输入周期某部分的电流,使输入电流波形生成谐波。确定这些失真因素的影响是电力工程设计中的重要组成部分。

图5    在对图4中的信号进行偏斜校正后,峰值振幅增大到5.415W或5.3%以上

图6    显示的是电源负载电流的谐波分析结果。

  软件自动计算电流谐波,确定与基本值和均方根值相对的总谐波失真度(THD)

  为了确定电力线路的功率消耗和功率失真,要测量输入阶段的电能质量。工程师传统上采用功率表和谐波分析器来测量电能质量,而带功率测量软件的数字示波器成为一项更好的选择。

  示波器有许多优点。测试仪器必须最高能捕捉到谐波元件基波的第50次谐波。根据适用的本地标准,电力线路频率通常是50Hz或60Hz。有时应用于军事和航空电子领域时,线路频率可为400 Hz。信号畸变可包含更好的频率,具有高取样速率的现代示波器能捕捉大分辨率的快速变化事件。相比之下,常规功率表因反应较慢,会忽略信号的细节。示波器的记录长度基本上足以采集完整的周期,即便是在高取样分辨率时。

  电流谐波

  开关电源容易产生以异次序为主的谐波,异次序谐波能返回电网,随着越来越多的开关电源接到电网中,这种效应开始累积。举例来说,当办公室新添更多的台式电脑时,传回电网的谐波失真总比例会增大。失真造成热量在电网的电缆和变压器中聚积,所以最大程度的减少谐波就变得尤为重要。EN/IEC61000-3-2等规范性标准规定了特殊非线性负载的电能质量。

  采用带功率测量软件的示波器,谐波分析就跟普通的波形测量一样简单。 图6显示的是电源负载电流的谐波分析结果。在这种情况下,软件自动计算电流谐波并确定重要的值,如与基本值和均方根(RMS)值相对的总谐波失真度(THD)。上述测量有助于分析其是否符合EN/IEC61000-3-2和军事标准1399等标准。部分软件会自动将测量结果与标准进行比较,以便快速检查设备是否合格。

  几乎每种电子产品的组成中都有电源,开关电源因高达90%的节能效率,已经成为市场的主流。为了验证和检定开关电源的设计以确保其能在实际环境中发挥良好的功能,常需测量开关功率损耗、磁功率损耗以及电能质量和电力谐波。虽然电源测量是复杂的,具有适当的探测工具和自动化测量软件的示波器可使测量变得简单。

 


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