开关电源基础

1、开关电源基础开关电源基础 4什么是开关电源 4常见开关电源拓扑结构 0Flyback（反激） 0Boost （正激） 0Half-Bridge （半桥） 0Bridge (全桥） 4开关电源的主要部分（AC-DC） 0输入整流滤波 0输出整流 0开关电路 0电感（变压器） 0控制部分 4开关电源测试举例 0荧光灯电子镇流器 0APFC有源功率因数校正电路 电源的分类和作用电源的分类和作用 4根据电源的输入和输出类型分类：根据电源的输入和输出类型分类： 0AC-DC, DC-DC, DC-ACAC-DC, DC-DC, DC-AC 4电源的作用，例如电源的作用，例如 AC-DCAC-DC电源：电

2、源： 0整流：将输入交流信号转换为直流信号 0电压转换：输出要求的电压幅度 0滤波：将输入整流的电压进行平滑 0调整：控制输出电压使得幅度恒定 0隔离：将输入与输出部分进行电气隔离 0保护：防止浪涌等有害电压到达输出部分，造成设备损坏 4理想的电源： 0提供稳定，平滑的输出电压，无论输入，负载或者环境温度如何 变化，并且有100的能量转换效率 电源的外部性能指标电源的外部性能指标 4功率，电流，电压功率，电流，电压 4保护功能保护功能 4安全性能安全性能 0Class I, 通过基本的绝缘或者保护地实现电气安全 0Class II，通过增强的加倍的绝缘实现电气安全 0 Class III，通过

3、SELV电路提供保护，不会产生有害的电压 4电磁兼容标准电磁兼容标准 线性电源线性电源 4开关电源输出电压开关电源输出电压 开关电源开关电源 脉冲宽度调制的基本概念脉冲宽度调制的基本概念 T T VVo on i平均 开关电源开关电源 典型的开关电源原理框图典型的开关电源原理框图 整流整流 桥桥 输入输入 滤波滤波 直流变换器直流变换器 脉宽调制脉宽调制 为什么使用开关电源为什么使用开关电源 线性电源和开关电源线性电源和开关电源 指标指标线性电源线性电源开关电源开关电源 线路调整线路调整0.02%0.05%0.05%0.1% 负载调整负载调整0.02%0.1%0.1%1.0% 输出纹波输出纹波

4、0.5mV2mV RMS10 mV100 mVP-P 输入电压范围输入电压范围10%20% 效率效率40%55%60%95% 功率密度功率密度0.5 W/cu.2W10W/cu. 瞬态恢复瞬态恢复50 s300 s 保持时间保持时间2 ms34 ms 开关电源的拓扑结构开关电源的拓扑结构 4反激变换器 （Flyback） 4正激变换器 （Forward） 4升压变换器 （Boost in PFC） 4半桥变换器 （Half Bridge） 4全桥变换器 （Full Bridge） 反激变换器 （Flyback） 4开关管开关管Q导通，副边感应电位使得导通，副边感应电位使得D1截至，原边电流线性

5、截至，原边电流线性 上升上升 4开关管开关管Q截止，原边电流为截止，原边电流为0，变压器储存的能量通过副，变压器储存的能量通过副 边释放，边释放，D1导通，并逐步降低导通，并逐步降低 反激变换器 （Flyback） 4反激变换器使用元件最少，最反激变换器使用元件最少，最 简单经济简单经济 4输出功率比较小，输出纹波大输出功率比较小，输出纹波大 4单端反激变换器的工作分为连单端反激变换器的工作分为连 续和非连续续和非连续2种工作模式，图示种工作模式，图示 为非连续模式，输出不能空载为非连续模式，输出不能空载 4开关管开关管2端最大电压为：端最大电压为： 0 2 1 V N N EV 反激变换器

6、（Flyback） 4连续工作模式连续工作模式 反激变换器主要部分典型波形 4通道通道1：VDS 4通道通道2：V副边 副边 4通道通道3： IDS 4通道通道4： I副边 副边 降压变换器 （Buck） 升压变换器升压变换器 （Boost）常用于）常用于PFC电路电路 正激变换器正激变换器 （Forward） 半桥变换器 （Half Bridge） 全桥变换器 （Full Bridge） 开关电源及其测量问题输入电路部分开关电源及其测量问题输入电路部分 40KHz CLOCK L N G D S G 有功功率有功功率 视在功率视在功率 功率功率 因数因数 电流谐波电流谐波 总谐波失总谐波失

7、真真 (THD) 市电输入整流滤波电路市电输入整流滤波电路 市电输入整流滤波电路市电输入整流滤波电路 市电输入整流滤波电路的测量问题市电输入整流滤波电路的测量问题 4视在功率（视在功率（Apparent Power） 4有功功率（有功功率（True Power） 4功率因数（功率因数（Power Factor） 4波峰因数（波峰因数（Crest Factor） 4总谐波失真（总谐波失真（Total Harmonic Distortion） 4电磁兼容问题，按照电磁兼容问题，按照EN61000-3-2进行一致性测试进行一致性测试 功率定义功率定义 - - 综述综述 4有多少种功率定义？有多少种功

8、率定义？ 0IEEE技术词典中列出了十多种不同的功率定义技术词典中列出了十多种不同的功率定义 0两种最常用的功率类型两种最常用的功率类型 4视在功率视在功率 4平均功率（亦称真值功率、有功功率）平均功率（亦称真值功率、有功功率） 0其他的功率其他的功率 4无功功率无功功率 4谐波功率谐波功率 4瞬时功率瞬时功率 功率定义功率定义 - - 视在功率视在功率 4数学定义：数学定义： Papp = Urms * Irms Urms 是电压的有效值，是电压的有效值， Irms是电流的有效值是电流的有效值 简单地说，只要分别测量出电压和电流有效值，即可计算出视在功简单地说，只要分别测量出电压和电流有效值

9、，即可计算出视在功 率，单位用率，单位用VA表示。表示。 功率定义功率定义 - - 平均功率（一）平均功率（一） 4平均功率是工程师最常用的名称，也称有功功率或真值功率平均功率是工程师最常用的名称，也称有功功率或真值功率 4数学定义：数学定义： 0对于正弦交流电路对于正弦交流电路 Pavg = Urms * Irms *Cos(U,I) Urms 是电压的有效值，是电压的有效值， Irms是电流的有效值，是电流的有效值， Cos(U,I)是正弦交流电压与电流的相位角是正弦交流电压与电流的相位角 0对于非正弦交流电路对于非正弦交流电路 Pavg = Un 是包含了谐波电压的电压测量值是包含了谐波

10、电压的电压测量值 In 是包含了谐波电流的电流测量值是包含了谐波电流的电流测量值 与上面定义区别在于：包含了与上面定义区别在于：包含了n的高次谐波，使用了离散的计算方法。的高次谐波，使用了离散的计算方法。 可以看出，这是需要大量的反复运算的，这是为什么工程师喜欢可以看出，这是需要大量的反复运算的，这是为什么工程师喜欢 TDS3000B示波器的数学运算功能的原因。示波器的数学运算功能的原因。 n InUn* 功率定义功率定义 - - 平均功率（二）平均功率（二） 4另一个平均功率的定义是等效直流电阻中的另一个平均功率的定义是等效直流电阻中的 “热能热能”的定义，的定义， 这是个更容易理解的概念这

11、是个更容易理解的概念 P=I*I*R 4平均功率的重要性：平均功率的重要性： 0对于象灯泡，加热器等电阻负载，平均功率的测量和计算是对于象灯泡，加热器等电阻负载，平均功率的测量和计算是 很方便的，但是，这样的计算不适用于非线性负载。很方便的，但是，这样的计算不适用于非线性负载。 0现代的电子技术应用中，开关电源、电子整流器，空调控制现代的电子技术应用中，开关电源、电子整流器，空调控制 系统，感应或脉冲调制马达等等都使用了非线性技术，这样系统，感应或脉冲调制马达等等都使用了非线性技术，这样 ，在设计，故障诊断和分析中都需要进行非线性负载的平均，在设计，故障诊断和分析中都需要进行非线性负载的平均

12、功率测量。功率测量。 功率因数功率因数 4有功功率有功功率 Urms * Irms * Cos(U,I) 视在功率 有功功率 功率因数）(pF pF（功率因数） 视在功率 波峰因数（波峰因数（Crest Factor） 4被测波形峰值与该波形的均方根值之比。被测波形峰值与该波形的均方根值之比。 4纯正弦波的峰值系数是纯正弦波的峰值系数是1.414 ( ) 4也称为峰值因数也称为峰值因数 （Peak Factor） 2 峰值 均方根值 （波峰因数）CF 总谐波失真总谐波失真 （THDTHD） 4交流量中，畸变含量的方均根值对基波分量的方均根值之百分比。交流量中，畸变含量的方均根值对基波分量的方均

13、根值之百分比。 100 signal hamonics P P THD L f L f L f L f hamonics R V R V R V R V P 2 5 2 4 2 3 2 2 0000 f0 f2f3f4f5f1 测例测例-通讯电源输入功率测量通讯电源输入功率测量 这是个通讯电源输入的测例：这是个通讯电源输入的测例： 为了得到视在功率，我们将测量到的有为了得到视在功率，我们将测量到的有 效值相乘，得到效值相乘，得到视在功率视在功率=120.8 V* 1.108A =133.8 W 为了得到有效功率，我们使用为了得到有效功率，我们使用 TDS3000B的数学运算（的数学运算（Mat

14、h)按钮，按钮， 对电压和电流的波形对电压和电流的波形“逐点逐点”相乘，得相乘，得 到有效功率到有效功率=88.0 W。注意，这里使用。注意，这里使用 的是相乘后的的是相乘后的“平均值（平均值（Mean)”而不是而不是 “有效值有效值(RMS)”来得到有效功率，这是来得到有效功率，这是 根据前面所叙述的平均功率的定义来的。根据前面所叙述的平均功率的定义来的。 这样，我们很容易的得到该设备的功率这样，我们很容易的得到该设备的功率PF=88.0 W / 133.8 W=0.66, 从而为设计功率校正电路从而为设计功率校正电路PFC提供数据。提供数据。 TDS3000BTDS3000B的功率测量功能

15、的功率测量功能 测例测例 - - 功耗测量功耗测量 4通过面积测量得通过面积测量得 到一定时间的功到一定时间的功 耗，如图中测得耗，如图中测得 在在121秒内功耗为秒内功耗为 约约58Ws. 4测量电池供电设测量电池供电设 备的功耗曲线备的功耗曲线 TDS3000BTDS3000B的自动面积测量能力的自动面积测量能力 功率：三相功率测量功率：三相功率测量 4对三相电路的功率测量对三相电路的功率测量-双功率计法双功率计法 不同于不同于“双功率计双功率计”法的名称，实际测量中只需要一法的名称，实际测量中只需要一 台台TDS3000B示波器即可，电压测量的公共端接在三示波器即可，电压测量的公共端接在

16、三 相中的任意一相，比如相中的任意一相，比如B 相，然后测量相，然后测量B相同相同A相和相和C 相的电压差以及相的电压差以及A相和相和C相的电流。相的电流。 Wtotal=W1+W2 4对三相电路的功率测量对三相电路的功率测量-单路法（适用平衡负载）单路法（适用平衡负载） 通过一台通过一台TDS3000B示波器，测量出平衡负载的一相示波器，测量出平衡负载的一相 的的RMS电压和电压和RMS电流，乘上电流，乘上1.732即可的到三相的即可的到三相的 全部功率全部功率 4需要注意的问题：电压探头的接地需要注意的问题：电压探头的接地 电流探头的方向电流探头的方向 练习练习1：功率测量：功率测量 4测

17、量电流和电压，不使用测量电流和电压，不使用TDSPWR3软件，只是应用软件，只是应用 TDS5000B的计算和测量功能，得到功率测量值。的计算和测量功能，得到功率测量值。 电磁兼容问题电磁兼容问题 4辐射标准辐射标准 4高频辐射标准高频辐射标准 4低频辐射标准低频辐射标准 0电流谐波标准电流谐波标准EN61000-3-2 谐波：谐波定义谐波：谐波定义-非线性负载非线性负载 4非线性负载非线性负载 0什么是非线性负载：当加入正弦电压产生非正弦电流什么是非线性负载：当加入正弦电压产生非正弦电流 0非线性负载的类型非线性负载的类型 4电感电感-由于饱和的影响由于饱和的影响 4SCR可控硅控制电路可控

18、硅控制电路 4AC/DC电路电路 4 0非线性负载的影响非线性负载的影响 4热损耗热损耗 4输入电压波形畸变输入电压波形畸变 4高频谐振高频谐振 谐波：谐波定义谐波：谐波定义-谐波的数学计算谐波的数学计算 4对任一信号，可以进行对任一信号，可以进行FFT运算，进行以下分解：运算，进行以下分解： A(t)=A0+A1sin( t+ 1)+A2sin(2 t+ 2)+A3sin(3 t+ 3)+ 0 , 2 , 3 ： 谐波频率谐波频率 0A0：直流分量直流分量 0A1：基波：基波 0A2, A3, ：谐波：谐波 4所以，谐波分析的本质在于所以，谐波分析的本质在于FFT功能功能 4分析的内容分析的

19、内容 0谐波频谱谐波频谱 0各次谐波的含量各次谐波的含量 0谐波失真度谐波失真度 谐波：谐波测例谐波：谐波测例-输入电压谐波分析输入电压谐波分析 通过通过TDS3000BTDS3000B的快速傅立叶的快速傅立叶 分析功能，可以很容易地将分析功能，可以很容易地将 所需要分析的频谱、谐波含所需要分析的频谱、谐波含 量、失真度读出。量、失真度读出。 TDS3000BTDS3000B的的FFTFFT测量功能测量功能 4可以看出，由于波形可以看出，由于波形 的对称性，频谱分析的对称性，频谱分析 的记过主要是奇次谐的记过主要是奇次谐 波的成分波的成分 4由于由于FFT的分析频率的分析频率 范围是采样率的一

20、半范围是采样率的一半 决定的，而分析的步决定的，而分析的步 长解析度又是采样率长解析度又是采样率 和内存共同决定的，和内存共同决定的， 所以，选择合适的采所以，选择合适的采 样率成为样率成为FFT运算的运算的 关键因素。关键因素。 4TDS3000B最高到最高到 5G/s. 谐波：谐波测例谐波：谐波测例-输入电流谐波分析输入电流谐波分析 TDS3000BTDS3000B的的FFTFFT测量功能测量功能 EN61000-3-2 & AM14 4电流谐波标准电流谐波标准 0EN61000-3-2 4老的测量流程老的测量流程 4定义不够清楚定义不够清楚 0EN61000-3-2 AM14 4改写了改

21、写了EN61000-3-2 标准中不清楚的地方标准中不清楚的地方 42004年一月欧洲将开始实施年一月欧洲将开始实施 4应该适用哪个标准：应该适用哪个标准： 0两者都可以两者都可以 4泰克的泰克的TDSPWR3二种标准都可以支持二种标准都可以支持 EN61000-3-2标准（标准（IEC1000-3-2) 4电流谐波标准电流谐波标准 4原标准：原标准：EN60555-2 (IEC555-2) 电子产品的分类电子产品的分类 4A类设备类设备 电机驱动设备，家用电器，三相设备电机驱动设备，家用电器，三相设备 4B类设备类设备 所有直接所有直接220Vac50Hz供电的便携式电动工具供电的便携式电动

22、工具 4C类设备类设备 所有照明设备所有照明设备 =25watts 4D类设备类设备 PCs, PC 显示器，电视，功率显示器，电视，功率75W到到600W AM14中电流波形模板测试被去掉。中电流波形模板测试被去掉。 实验实验2：使用：使用TDSPWR3的输入测量功能的输入测量功能 4测量输入信号的各项参数测量输入信号的各项参数 4按照按照EN6100032 测量谐波测量谐波 PFC有源功率因数校正电路的作用有源功率因数校正电路的作用 电流模式的有源功率因数校正电路（电流模式的有源功率因数校正电路（APFC ） 4通过控制扼流圈LE的快速能量存储与释放，使得平均输入电流跟踪输入线路 4在输入

23、90260V输入电压范围内，输出稳定在400VDC 4功率因数可以达到0.95 to 0.99 应用文章和测试案例（应用文章和测试案例（APFC） 开关电源及其测量问题开关电源及其测量问题 DC 输出部分输出部分 40KHz CLOCK L N G D S G DC输出部分输出部分 输出纹波输出纹波 输出纹波测量输出纹波测量 4低频纹波：工频的2倍频（100Hz） 4高频纹波：脉宽调制开关电路带来的纹波 4开关噪声：与PWM信号同频的噪声 4随即噪声：工频或者开关频率相关的噪声 输出纹波测量输出纹波测量 4纹波的测量一般使用峰峰值 4一般使用20MHz带宽的示波器进行测量 4纹波的典型值是输出

24、电压的12 输出纹波测量输出纹波测量 方法方法1 4如果要带载测试，必须使用示波器探头时，必须注意： 0尽量减少示波器探头接地线的影响（使用BNC到探头尖转换或者至少拔 掉探头帽，去掉探头地线 0需要并联0.1uF电容 0示波器良好接地 0测量共模噪声大小 输出纹波测量输出纹波测量 方法方法2 4测量结果应该 X 2 4示波器良好接地 4电容C为低ESR型，不小于10uF 输出纹波测量输出纹波测量 专门的测试夹具专门的测试夹具 4比如，特制的测试盒，测 试板 4BNC测试线等 实验实验3：纹波测量：纹波测量 4测量纹波，并尝试不同方法测量纹波，并尝试不同方法 4Nortel announces

25、 Power over Ethernet Switch 4IEEE Ratifies POE standard IEEE802.3af 4Organizations working on POE 0Delta Power, Taiwan 0PowerDsine, Israel 0Nortel 0Cisco Power Over Ethernet(POE) Power Over Ethernet 4Test Points 0At power supply output point 0RJ45 connector end 4Power Over Ethernet 0Measure ripple o

26、ver range of frequency band Measurements in Power over Ethernet FrequencyRippleandNoiseLimit(mVpk-pk) 500Hz500 20KKz-150KHz 200 150Khz-500KHz150 500Khz-1000KHz50 4Result of Spectral Analysis Marker Spectral Analysis in TDSPWR3 开关部分：开关管的类型开关部分：开关管的类型 4双极性（双极性（BJT） 4MOSFET 4IGBT 开关管的损耗开关管的损耗 4开关管的损耗是整

27、个电源中最大部分 的损耗 4开关管是整个电源中最”脆弱“的部 分 4损耗会以发热的形式表现 4损耗主要有2部分： 0开关损耗 4发生在电压从导通到截至而电流 从截至到导通的瞬间，电流和电 压相乘得到 0传导损耗 4在导通时由于导通电阻得到 Vds Ids Pds T1 T2 T3 T4Time Ton 损耗损耗 Toff 损耗损耗 传导损耗传导损耗 开关管：开关管：BJTBJT 4Bipolar Junction Transistor 4双极性三极管双极性三极管 4 开关管：开关管：MOSFETMOSFET 4Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tra

28、nsistor 4(a) 如果门极未加偏置电压，电流可以从漏极流向源极 4(b) 如果门极加偏置电压，耗尽区增大，漏极流向源极的电流减小 MOSFETMOSFET的特点的特点 4优点： 0高输入阻抗电压驱动，易于使用 0单极性设备，多数载流子设备，快速切换速度 0更宽的SOA（安全工作区） 0正温度系数，易于并联使用 4特性： 4耐压100mV 4结果将造成开关管总损耗测量的不准确结果将造成开关管总损耗测量的不准确 100s mV 500V 同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压 4解决的办法解决的办法 0如果传导态的电压可以测量，测量导通电阻（如果传

29、导态的电压可以测量，测量导通电阻（ RDSon） 4如果开关电压峰峰值小于如果开关电压峰峰值小于100V 0通过开关管手册查到当前工作温度下导通电阻（通过开关管手册查到当前工作温度下导通电阻（RDSon）的理论数）的理论数 值值 100s mV 500V 探头引起的通道时间偏差探头引起的通道时间偏差 Time GND Vds Id s GND Vds GND Ids Skew 校准时间偏差校准时间偏差 4偏差校正偏差校正 0通过专用夹具测量电压与电流通道波形的偏差通过专用夹具测量电压与电流通道波形的偏差 0调整或将偏差抵消调整或将偏差抵消 0信号现在可以时间对齐信号现在可以时间对齐 Deske

30、w fixture TDSPWR3进行静态时延校准进行静态时延校准 4静态校正静态校正 0支持泰克的电流探头支持泰克的电流探头 ，差分探头，差分探头 0可以校正高达可以校正高达100A的的 电流电流 0无需校准夹具无需校准夹具 Deskew fixture TDSPWR3 实时时延校准实时时延校准 4对于特殊的探头自动对于特殊的探头自动 校准时延校准时延 4需要时延校准夹具或需要时延校准夹具或 者提供同一脉冲沿的者提供同一脉冲沿的 电流电压信号的信号电流电压信号的信号 源源 差分探头和电流探头的寄生噪声差分探头和电流探头的寄生噪声 4解决的办法解决的办法 0保证差分探头的直流平衡保证差分探头的

31、直流平衡 4将示波器设置到捕获开关信号需要的垂直刻度（伏将示波器设置到捕获开关信号需要的垂直刻度（伏/格）格） 4调整直流平衡，使得短路平均值为零伏调整直流平衡，使得短路平均值为零伏 0确保电流探头的直流平衡确保电流探头的直流平衡 开关电源中的开关管开关电源中的开关管 4开关管测量的问题：开关管测量的问题： 0关断态时电流信号的噪声电平关断态时电流信号的噪声电平 Vds Ids 500V 1or2mA(noise) 4结果将导致测量周期功率损耗结果误差结果将导致测量周期功率损耗结果误差 开关电源中的开关管开关电源中的开关管 4开关电源设备中测量开关管的问题：开关电源设备中测量开关管的问题： 0

32、需要很长的示波器记录长度进行准确测量需要很长的示波器记录长度进行准确测量 4负载变化将导致传导损耗变化负载变化将导致传导损耗变化 4输入电压变化导致导通和截止损耗变化输入电压变化导致导通和截止损耗变化 0引起开关管导通引起开关管导通/截止时间变化截止时间变化 0同时也导致传导损耗测量误差同时也导致传导损耗测量误差 0引起测量结果重复性差引起测量结果重复性差 开关电源中的开关管开关电源中的开关管 4开关电源设备中测量开关管的问题：开关电源设备中测量开关管的问题： 0需要很长的示波器记录长度进行准确测量需要很长的示波器记录长度进行准确测量 Switching Voltage Switching C

33、urrent 4解决方法解决方法 0捕获整个的负载变化过程捕获整个的负载变化过程 0或者捕获完整的一个工频周期的数据或者捕获完整的一个工频周期的数据 开关电源中的开关管开关电源中的开关管 4开关电源设备中测量开关管的问题开关电源设备中测量开关管的问题 0当开关波形有很大振铃时，如何分辩真正的导通与截止当开关波形有很大振铃时，如何分辩真正的导通与截止 0解决办法解决办法 4定义参考电平和滞回电平准确定位边沿定义参考电平和滞回电平准确定位边沿 4使用门级（使用门级（G）作为参考波形）作为参考波形 Ids Vds Vg 开关损耗开关损耗 Vds Ids Pds T1 T2 T3 T4Time Ton

34、 Loss Toff Loss 传导损耗传导损耗 4开关损耗开关损耗 Ton & ToffTon & Toff 4传导损耗：导通态开关管本身消耗的能量传导损耗：导通态开关管本身消耗的能量 (T(T2 2 to T to T3 3) ) 4平均功率损耗平均功率损耗 Ton, Toff, Ton, Toff, 和传导损耗之和和传导损耗之和 动态导通电阻动态导通电阻 (RDS ON) 在导通态开关管在导通态开关管 RDS on Vds/Ids Vds/Ids GND GND RDS ON T2 T3 GND 8 8 8 Vds Ids Time 安全工作区（安全工作区（SOASOA） Vds GND

35、 GND Vds Ids Time Ids 4SOA：是开关管瞬时电压与电流的关系曲线：是开关管瞬时电压与电流的关系曲线 大多数开关损耗发生在开关瞬态大多数开关损耗发生在开关瞬态 需要使转换时间最小，减少开关损耗需要使转换时间最小，减少开关损耗 电压电压 电流电流 功率功率 开关损耗开关损耗 4TDSPWR3自动测量开关元自动测量开关元 件开启，断开及其周期损耗件开启，断开及其周期损耗 4软件可以根据负载的动态变软件可以根据负载的动态变 化，自动计算出最小，最大化，自动计算出最小，最大 和平均值，进行开关损耗的和平均值，进行开关损耗的 趋势计算趋势计算 4峰值功率定位功能能够进行峰值功率定位功

36、能能够进行 瞬态功率损耗的精确定位与瞬态功率损耗的精确定位与 测量测量 动态负载时的开关损耗动态负载时的开关损耗 4峰值功率定位峰值功率定位 (HiPower Finder) 0捕捉负载变化事件捕捉负载变化事件 0追踪瞬态功率值追踪瞬态功率值 0将瞬态功率点与相将瞬态功率点与相 应的时域波形对应分应的时域波形对应分 析析 0放大波形细节放大波形细节 开关损耗测试的画面开关损耗测试的画面 4测量类型测量类型 4边沿分析边沿分析 4Ton & Toff Toff 电平电平 4选项选项 4设置设置 0使用工频作为触发源使用工频作为触发源 0门级驱动信号作为参考边沿门级驱动信号作为参考边沿 0捕获至少

37、半个工频周期的开关电压和电流波形捕获至少半个工频周期的开关电压和电流波形 0最小采样率设为最小采样率设为50MS/s 有源功率因数校正电路（有源功率因数校正电路（APFC）中的开关损耗）中的开关损耗 4结果结果 0计算计算 Ton, Toff 和总损耗和总损耗 选通数据分析选通数据分析 4设置设置 0使用开关电压进行边沿分析使用开关电压进行边沿分析 0打开信号调理打开信号调理 Fly back结构电源的开关损耗结构电源的开关损耗 进行边沿分析的进行边沿分析的 部分部分 推挽式电路的开关损耗测量推挽式电路的开关损耗测量 参考电平参考电平 4设置设置 0使用开关电压进行边沿分析使用开关电压进行边沿

38、分析 0打开信号调理打开信号调理 电子镇流器电子镇流器H桥开关损耗测量桥开关损耗测量 4捕获至少半个工频周期捕获至少半个工频周期 的开关电压和电流波形的开关电压和电流波形 （Vds & Ids） 4选择测量类型为周期和选择测量类型为周期和 频率可变型频率可变型 4根据边沿设置参考电平根据边沿设置参考电平 然后进行测量然后进行测量 SOA （安全工作区）（安全工作区） 4安全工作区（安全工作区（ SOA）测量）测量 0快速得到快速得到SOA 4重复信号的安全重复信号的安全 工作区工作区 安全工作区（安全工作区（SOA） 4TDSPWR2 及其数字及其数字 荧光示波器提供长记荧光示波器提供长记 录

39、长度以及自动测量录长度以及自动测量 功能，使得这一任务功能，使得这一任务 简单，快速简单，快速 4长记录长度捕捉整个长记录长度捕捉整个 时间时间 4自动测量确定安全工自动测量确定安全工 作区作区 0将安全工作区与时将安全工作区与时 域波形实时定位与域波形实时定位与 分析分析 4单次事件安全工作区单次事件安全工作区 开关管安全工作区（开关管安全工作区（SOA）模板）模板 4按照开关管厂家给按照开关管厂家给 出的指标设置模板出的指标设置模板 4对数或者线性刻度对数或者线性刻度 4模板的存储，调出模板的存储，调出 4实时模板测试实时模板测试 4测量游标关联测试测量游标关联测试 Mask Failed

40、 section 动态导通电阻动态导通电阻 (RDS ON) Vds/Ids 4开关设备导通时，开关设备导通时， Vds/Ids 的幅度的幅度 GND GND RDSON T2 T3 GND 8 8 8 Vds Ids Time 动态导通电阻动态导通电阻 (RDS ON) 4测量动态导测量动态导 通电阻通电阻 开关电源及其测量问题开关电源及其测量问题 开关损耗开关损耗 导通电阻导通电阻 SOA调制分析调制分析 40KHz CLOCK L N G D S G 铁心损耗铁心损耗 B-H 曲线分析曲线分析 有功功率有功功率 视在功率视在功率 功率功率 因数因数 电流谐波电流谐波 总谐波失总谐波失 真

41、真 (THD) 电感（变压器）电感（变压器） 4电感的作用： 0储能， 0传输能量 0改善电磁兼容特性 4损耗： 0开关电源全部损耗的15 基本的电磁理论基本的电磁理论 V(t) 电压 B(t)通量密度，(t)通量 H(t)磁场强度，F(t)磁势i(t) 电流 磁心特性 法拉第定律 安培定律 磁与电：基本关系磁与电：基本关系 基本测量单位及其转换基本测量单位及其转换 磁心的类型磁心的类型 气隙气隙 磁损耗：磁滞损耗磁损耗：磁滞损耗 （Hysteresis，铁损），铁损） 与频率成正比 磁损耗：涡流损耗磁损耗：涡流损耗 磁损耗：铜损磁损耗：铜损 4A A：电感导线截面积：电感导线截面积 4 ：电

42、导率：电导率 4L L：电感导线长度：电感导线长度 磁性材料磁性材料 BH曲线曲线 4磁芯为磁性材料的情形磁芯为磁性材料的情形4磁芯为空气的情形磁芯为空气的情形 磁性元件（变压器，电感）的测量磁性元件（变压器，电感）的测量 4电感电感 4损耗损耗 4磁性元件工作状态（磁性元件工作状态（B-HB-H曲线）曲线） 0饱和磁通（饱和磁通（Saturation Flux Saturation Flux ） 0剩余磁通量（剩余磁通量（Remnant FluxRemnant Flux） 0矫顽力（矫顽力（Coercive forceCoercive force） 0磁导率（磁导率（Permeability

43、Permeability） 开关电源中的磁性元件开关电源中的磁性元件 4电感电感 0单绕组单绕组 0多绕组多绕组 4应用：储存能量应用：储存能量 4变压器变压器 0单初级，多次级单初级，多次级 0应用：传输能量应用：传输能量 多绕组电感多绕组电感 开关电源中的磁性元件开关电源中的磁性元件 4对于开关电源系统的影响对于开关电源系统的影响 0大的损耗大的损耗 0高压浪涌高压浪涌 4要求大扼流圈和滤波器要求大扼流圈和滤波器 0不同输出之间互调不同输出之间互调 0 占空比范围受到限制占空比范围受到限制 不同电感处于不同电感处于B-H曲线不同工作区曲线不同工作区 磁性元件的测量磁性元件的测量 4磁特性磁

44、特性 0峰值磁通量密度峰值磁通量密度 (Bpeak) 4磁通量反向单位截面积磁磁通量反向单位截面积磁 通量密度通量密度 4测量磁通量密度的饱和测量磁通量密度的饱和 4高斯高斯/平方厘米（平方厘米（cgs) 4韦伯韦伯/平方米平方米 或者特斯拉或者特斯拉 Tesla（SI） Bpeak 剩磁剩磁 4剩磁剩磁 (Br) 0加入的磁力消失后，磁性电路中加入的磁力消失后，磁性电路中 剩余的磁感应剩余的磁感应 0是磁滞回曲线中磁力是磁滞回曲线中磁力H为零，穿为零，穿 过过B轴的点轴的点 0如果磁心中有气隙，剩磁会小于如果磁心中有气隙，剩磁会小于 Br Br 矫顽力矫顽力 4矫顽力（矫顽力（Hc） 0是磁

45、性元件中的消磁力，降是磁性元件中的消磁力，降 低进入磁饱和态后的磁感应低进入磁饱和态后的磁感应B 0单位：单位：Oe（Oersted，每米，每米 安培匝数）安培匝数） Hc 磁导率磁导率 4是每单位体积磁性材料，在单位磁场下可以产生的磁通量。是每单位体积磁性材料，在单位磁场下可以产生的磁通量。 磁导率类似电学中导体的电导率概念。磁导率类似电学中导体的电导率概念。 r = B / H 电感电感/变压器的测试变压器的测试 4电感电感/变压器变压器 0铁心损耗铁心损耗 0在线电感值在线电感值 0B-H曲线分析曲线分析 Time Icore VCore Measurement Challenge 铁心

46、损耗铁心损耗 & B-H 曲线分析曲线分析 4为提高性能而设计的磁性元为提高性能而设计的磁性元 件可能带来功率损耗件可能带来功率损耗 4了解这些元件的限制对于电了解这些元件的限制对于电 源系统安全工作非常重要源系统安全工作非常重要 4以前的测量仪器还不能解决以前的测量仪器还不能解决 这些问题这些问题 测量铁心损耗和在线电感值测量铁心损耗和在线电感值 4磁性元件的铁磁性元件的铁 心损耗心损耗 4计算电感值计算电感值 B-H 曲线分析曲线分析 4分析磁滞回曲线分析磁滞回曲线 4将曲线上的点与相应将曲线上的点与相应 时域波形分析时域波形分析 磁性元件测量的设置磁性元件测量的设置 4测量类型测量类型

47、4参考电平参考电平 4物理特性物理特性 4绕组绕组 4磁路长度磁路长度 4匝数匝数 4导线截面积导线截面积 可以从磁性元件的说明书或者设计手册上查到这些数据可以从磁性元件的说明书或者设计手册上查到这些数据 磁性元件物理特性磁性元件物理特性 如何得到磁性元件的参数说明书如何得到磁性元件的参数说明书 4测量电感两端测量电感两端 电压波形电压波形 4测量电感流过测量电感流过 的电流波形的电流波形 0电流探头极电流探头极 性应该与流性应该与流 过电流的极过电流的极 性对应性对应 4在在TDSPWR3 中输入磁路径中输入磁路径 长度，匝数和长度，匝数和 磁面积磁面积 4进行测量进行测量 测量单绕组电感的

48、特性测量单绕组电感的特性 Magnetic Property measurement at coupled inductor 4Measure voltage across any one the inductor winding 4Measure current through each of the the winding 0Current probe should in the direction of the current flow 4Input Physical parameter of inductor 4Run magnetic property measurement 测量变

49、压器磁特性测量变压器磁特性 磁性元件的功率损耗磁性元件的功率损耗 4总损耗总损耗 0铁心损耗：曲线的面积铁心损耗：曲线的面积 0涡流电流损耗：磁阻导致的损耗涡流电流损耗：磁阻导致的损耗 0铜损：绕组电阻导致的损耗铜损：绕组电阻导致的损耗 4TDSPWR3 能够测量总损耗能够测量总损耗 4Capture voltage across the inductor 4Capture current across the inductor 4Run magnetic loss (Without gating ON) measurement 0Integral number of cycles can b

50、e identified 4Run magnetic loss (With gating On) measurement 0Integral number of cycles can not be identified 4e.g. When SMPS is switching between DCM to CCM or vice versa 0DCM & CCM are current flow technique through the magnetic component to reduce ripple current 4e.g. In case active PFC SMPS Magnetic Loss Measurement in a single winding Inductor 单绕组电感的损耗测试单绕组电感的损耗测试 4在初级测量损耗在初级测量损耗 4测量每一次级的损耗测量每一次级的损耗 4在恒定负载状态进行测量在恒定负载状态进行测量 变压器的损耗 初级损耗所有 刺激损耗 变压器的损耗测量变压器的损耗测量 测量电感测量电感 BH曲线测量实例曲线测量实例 Control Loop Analysis 4In APFC, line current should be in phase with th