开关电源基础

1、开关电源测试基础知识,泰克中国分销业务部 宋磊,开关电源基础,什么是开关电源 常见开关电源拓扑结构 Flyback（反激） Boost （正激） Half-Bridge （半桥） Bridge (全桥） 开关电源的主要部分（AC-DC） 输入整流滤波 输出整流 开关电路 电感（变压器） 控制部分 开关电源测试举例 荧光灯电子镇流器 APFC有源功率因数校正电路,电源的分类和作用,根据电源的输入和输出类型分类： AC-DC, DC-DC, DC-AC 电源的作用，例如 AC-DC电源： 整流：将输入交流信号转换为直流信号 电压转换：输出要求的电压幅度 滤波：将输入整流的电压进行平滑 调整：控制输

2、出电压使得幅度恒定 隔离：将输入与输出部分进行电气隔离 保护：防止浪涌等有害电压到达输出部分，造成设备损坏 理想的电源： 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,功率，电流，电压 保护功能 安全性能 Class I, 通过基本的绝缘或者保护地实现电气安全 Class II，通过增强的加倍的绝缘实现电气安全 Class III，通过SELV电路提供保护，不会产生有害的电压 电磁兼容标准,线性电源,开关电源输出电压,开关电源 脉冲宽度调制的基本概念,开关电源 典型的开关电源原理框图,整流桥,输入滤波,直流变换器,脉宽调制,为什么

3、使用开关电源,线性电源和开关电源,开关电源的拓扑结构,反激变换器 （Flyback） 正激变换器 （Forward） 升压变换器 （Boost in PFC） 半桥变换器 （Half Bridge） 全桥变换器 （Full Bridge）,反激变换器 （Flyback）,开关管Q导通，副边感应电位使得D1截至，原边电流线性上升 开关管Q截止，原边电流为0，变压器储存的能量通过副边释放，D1导通，并逐步降低,反激变换器 （Flyback）,反激变换器使用元件最少，最简单经济 输出功率比较小，输出纹波大 单端反激变换器的工作分为连续和非连续2种工作模式，图示为非连续模式，输出不能空载 开关管2端最

4、大电压为：,反激变换器 （Flyback）,连续工作模式,反激变换器主要部分典型波形,通道1：VDS 通道2：V副边 通道3： IDS 通道4： I副边,降压变换器 （Buck）,升压变换器 （Boost）常用于PFC电路,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,40KHz CLOCK,L,N,G,D,S,G,有功功率 视在功率 功率 因数 电流谐波 总谐波失真 (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的测量问题,视在功率（Apparent Power）

5、 有功功率（True Power） 功率因数（Power Factor） 波峰因数（Crest Factor） 总谐波失真（Total Harmonic Distortion） 电磁兼容问题，按照EN61000-3-2进行一致性测试,功率定义 - 综述,有多少种功率定义？ IEEE技术词典中列出了十多种不同的功率定义 两种最常用的功率类型 视在功率 平均功率（亦称真值功率、有功功率） 其他的功率 无功功率 谐波功率 瞬时功率,功率定义 - 视在功率,数学定义： Papp = Urms * Irms Urms 是电压的有效值， Irms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

6、可计算出视在功率，单位用VA表示。,功率定义 - 平均功率（一）,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 数学定义： 对于正弦交流电路 Pavg = Urms * Irms *Cos(U,I) Urms 是电压的有效值， Irms是电流的有效值， Cos(U,I)是正弦交流电压与电流的相位角 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 In 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n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TDS3000B示波器的数学运算功能的原因。,功率定义 - 平均功

7、率（二）,另一个平均功率的定义是等效直流电阻中的 “热能”的定义，这是个更容易理解的概念 P=I*I*R 平均功率的重要性： 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。 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，在设计，故障诊断和分析中都需要进行非线性负载的平均功率测量。,功率因数,有功功率 Urms * Irms * Cos(U,I),pF（功率因数）,视在功率,波峰因数（Crest Factor）,被测波形峰值与该波形的均方根值之比。 纯正弦波的峰值系数是1.414 (

8、) 也称为峰值因数 （Peak Factor）,总谐波失真 （THD）,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。,测例-通讯电源输入功率测量,这是个通讯电源输入的测例： 为了得到视在功率，我们将测量到的有效值相乘，得到视在功率=120.8 V* 1.108A =133.8 W 为了得到有效功率，我们使用TDS3000B的数学运算（Math)按钮，对电压和电流的波形“逐点”相乘，得到有效功率=88.0 W。注意，这里使用的是相乘后的“平均值（Mean)”而不是“有效值(RMS)”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。,这样，我们很容易的得到该设备的功率PF=8

9、8.0 W / 133.8 W=0.66,从而为设计功率校正电路PFC提供数据。,TDS3000B的功率测量功能,测例 - 功耗测量,通过面积测量得到一定时间的功耗，如图中测得在121秒内功耗为约58Ws. 测量电池供电设备的功耗曲线,TDS3000B的自动面积测量能力,功率：三相功率测量,对三相电路的功率测量-双功率计法 不同于“双功率计”法的名称，实际测量中只需要一台TDS3000B示波器即可，电压测量的公共端接在三相中的任意一相，比如B 相，然后测量B相同A相和C相的电压差以及A相和C相的电流。 Wtotal=W1+W2,对三相电路的功率测量-单路法（适用平衡负载） 通过一台TDS300

10、0B示波器，测量出平衡负载的一相的RMS电压和RMS电流，乘上1.732即可的到三相的全部功率,需要注意的问题：电压探头的接地 电流探头的方向,练习1：功率测量,测量电流和电压，不使用TDSPWR3软件，只是应用TDS5000B的计算和测量功能，得到功率测量值。,电磁兼容问题,辐射标准 高频辐射标准 低频辐射标准 电流谐波标准EN61000-3-2,谐波：谐波定义-非线性负载,非线性负载 什么是非线性负载：当加入正弦电压产生非正弦电流 非线性负载的类型 电感-由于饱和的影响 SCR可控硅控制电路 AC/DC电路 非线性负载的影响 热损耗 输入电压波形畸变 高频谐振,谐波：谐波定义-谐波的数学计

11、算,对任一信号，可以进行FFT运算，进行以下分解： A(t)=A0+A1sin(t+1)+A2sin(2t+2)+A3sin(3t+3)+ , 2, 3 ： 谐波频率 A0：直流分量 A1：基波 A2, A3, ：谐波 所以，谐波分析的本质在于FFT功能 分析的内容 谐波频谱 各次谐波的含量 谐波失真度,谐波：谐波测例-输入电压谐波分析,通过TDS3000B的快速傅立叶分析功能，可以很容易地将所需要分析的频谱、谐波含量、失真度读出。,TDS3000B的FFT测量功能,可以看出，由于波形的对称性，频谱分析的记过主要是奇次谐波的成分 由于FFT的分析频率范围是采样率的一半决定的，而分析的步长解析度

12、又是采样率和内存共同决定的，所以，选择合适的采样率成为FFT运算的关键因素。 TDS3000B最高到5G/s.,谐波：谐波测例-输入电流谐波分析,TDS3000B的FFT测量功能,EN61000-3-2 & AM14,电流谐波标准 EN61000-3-2 老的测量流程 定义不够清楚 EN61000-3-2 AM14 改写了EN61000-3-2 标准中不清楚的地方 2004年一月欧洲将开始实施 应该适用哪个标准： 两者都可以 泰克的TDSPWR3二种标准都可以支持,EN61000-3-2标准（IEC1000-3-2),电流谐波标准 原标准：EN60555-2 (IEC555-2),电子产品的分

13、类,A类设备 电机驱动设备，家用电器，三相设备 B类设备 所有直接220Vac50Hz供电的便携式电动工具 C类设备 所有照明设备 =25watts D类设备 PCs, PC 显示器，电视，功率75W到600W AM14中电流波形模板测试被去掉。,实验2：使用TDSPWR3的输入测量功能,测量输入信号的各项参数 按照EN6100032 测量谐波,PFC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（APFC）,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 在输入90260V输入电压范围内，输出稳定在400VDC 功率因数可以达到0.95 to 0.99,应用

14、文章和测试案例（APFC）,开关电源及其测量问题 DC 输出部分,DC输出部分 输出纹波,输出纹波测量,低频纹波：工频的2倍频（100Hz） 高频纹波：脉宽调制开关电路带来的纹波 开关噪声：与PWM信号同频的噪声 随即噪声：工频或者开关频率相关的噪声,输出纹波测量,纹波的测量一般使用峰峰值 一般使用20MHz带宽的示波器进行测量 纹波的典型值是输出电压的12,输出纹波测量 方法1,如果要带载测试，必须使用示波器探头时，必须注意： 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 需要并联0.1uF电容 示波器良好接地 测量共模噪声大小,输出纹波测量 方法2

15、,测量结果应该 X 2 示波器良好接地 电容C为低ESR型，不小于10uF,输出纹波测量 专门的测试夹具,比如，特制的测试盒，测试板 BNC测试线等,实验3：纹波测量,测量纹波，并尝试不同方法,Nortel announces Power over Ethernet Switch IEEE Ratifies POE standard IEEE802.3af Organizations working on POE Delta Power, Taiwan PowerDsine, Israel Nortel Cisco,Power Over Ethernet(POE),Power Over Eth

16、ernet,Test Points At power supply output point RJ45 connector end,Power Over Ethernet Measure ripple over range of frequency band,Measurements in Power over Ethernet,Result of Spectral Analysis,Marker,Spectral Analysis in TDSPWR3,开关部分：开关管的类型,双极性（BJT） MOSFET IGBT,开关管的损耗,开关管的损耗是整个电源中最大部分的损耗 开关管是整个电源中最

17、”脆弱“的部分 损耗会以发热的形式表现 损耗主要有2部分： 开关损耗 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 传导损耗 在导通时由于导通电阻得到,开关管：BJT,Bipolar Junction Transistor 双极性三极管,开关管：MOSFET,Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (a) 如果门极未加偏置电压，电流可以从漏极流向源极 (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,MOSFET的特点,优点： 高输入阻抗电压驱动，易于使用 单极性设备，多数载流子设备，快速切换速度

18、更宽的SOA（安全工作区） 正温度系数，易于并联使用 特性： 耐压500V， 缺点： 耐压超过200V时，由于导通压降较大，损耗大于双极性管,MOSFET的特点,MOSFET的工作时序,MOSFET的开通和截止,开关管：MOSFET,Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET的典型指标： RDSON导通电阻 安全工作区,开关管：MOSFET,MOSFET的损耗,开关管测量的技术难题,同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压 电压与电流探头时间延迟特性的不一致性 差分探头和电流探头的寄生噪声 需要长记录长度进行准确测量 开关设

19、备的噪声 很高幅度的振铃 信号特性变化 随负载变化 非连续电流模式 连续电流模式 开关电源拓扑结构 需要不同的捕获数据的方式,开关管测量的技术难题,同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压 典型的开关管电压波形 需要成分测量 信号特性如下图,100s mV,500V,同时测量几百伏的高电压和几百毫伏的小电压,任何示波器都很难同时测量几百伏和几百毫伏的电压，示波器的分辨率为8bit 示波器的垂直设置需要为 50V/div 理想的最小采样分辨率为： 500V/2562V 100mV 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,解决的办法

20、如果传导态的电压可以测量，测量导通电阻（ RDSon） 如果开关电压峰峰值小于100V 通过开关管手册查到当前工作温度下导通电阻（RDSon）的理论数值,探头引起的通道时间偏差,校准时间偏差,偏差校正 通过专用夹具测量电压与电流通道波形的偏差 调整或将偏差抵消 信号现在可以时间对齐,Deskew fixture,TDSPWR3进行静态时延校准,静态校正 支持泰克的电流探头，差分探头 可以校正高达100A的电流 无需校准夹具,Deskew fixture,TDSPWR3 实时时延校准,对于特殊的探头自动校准时延 需要时延校准夹具或者提供同一脉冲沿的电流电压信号的信号源,差分探头和电流探头的寄生噪

21、声,解决的办法 保证差分探头的直流平衡 将示波器设置到捕获开关信号需要的垂直刻度（伏/格） 调整直流平衡，使得短路平均值为零伏 确保电流探头的直流平衡,开关电源中的开关管,开关管测量的问题： 关断态时电流信号的噪声电平,Vds,Ids,500V,1 or 2 mA (noise),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,开关电源设备中测量开关管的问题： 需要很长的示波器记录长度进行准确测量 负载变化将导致传导损耗变化 输入电压变化导致导通和截止损耗变化 引起开关管导通/截止时间变化 同时也导致传导损耗测量误差 引起测量结果重复性差,开关电源中的开关管,开关电源设备中测量开关管的

22、问题： 需要很长的示波器记录长度进行准确测量,Switching Voltage,Switching Current,解决方法 捕获整个的负载变化过程 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,开关电源设备中测量开关管的问题 当开关波形有很大振铃时，如何分辩真正的导通与截止 解决办法 定义参考电平和滞回电平准确定位边沿 使用门级（G）作为参考波形,开关损耗,开关损耗 Ton & Toff 传导损耗：导通态开关管本身消耗的能量 (T2 to T3) 平均功率损耗 Ton, Toff, 和传导损耗之和,动态导通电阻 (RDS ON),在导通态开关管 RDS on Vds/Ids,安全工

23、作区（SOA）,SOA：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需要使转换时间最小，减少开关损耗,电压 电流 功率,开关损耗,TDSPWR3自动测量开关元件开启，断开及其周期损耗 软件可以根据负载的动态变化，自动计算出最小，最大和平均值，进行开关损耗的趋势计算 峰值功率定位功能能够进行瞬态功率损耗的精确定位与测量,动态负载时的开关损耗,峰值功率定位 (HiPower Finder) 捕捉负载变化事件 追踪瞬态功率值 将瞬态功率点与相应的时域波形对应分析 放大波形细节,开关损耗测试的画面,测量类型,边沿分析,Ton & Toff Toff 电平,选项,设置 使用工频作为触发

24、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/s,有源功率因数校正电路（APFC）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,Fly back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,SOA （安全工作区）,安全工作区（SOA）测量 快速得

25、到SOA 重复信号的安全工作区,安全工作区（SOA）,TDSPWR2 及其数字荧光示波器提供长记录长度以及自动测量功能，使得这一任务简单，快速 长记录长度捕捉整个时间 自动测量确定安全工作区 将安全工作区与时域波形实时定位与分析 单次事件安全工作区,开关管安全工作区（SOA）模板,按照开关管厂家给出的指标设置模板 对数或者线性刻度 模板的存储，调出 实时模板测试 测量游标关联测试,Mask,Failed section,动态导通电阻 (RDS ON),Vds/Ids,开关设备导通时， Vds/Ids 的幅度,动态导通电阻 (RDS ON),测量动态导通电阻,开关电源及其测量问题,开关损耗 导通

26、电阻 SOA,调制分析,40KHz CLOCK,L,N,G,D,S,G,铁心损耗 B-H 曲线分析,有功功率 视在功率 功率 因数 电流谐波 总谐波失真 (THD),电感（变压器）,电感的作用： 储能， 传输能量 改善电磁兼容特性 损耗： 开关电源全部损耗的15,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,基本测量单位及其转换,磁心的类型,气隙,磁损耗：磁滞损耗 （Hysteresis，铁损）,与频率成正比,磁损耗：涡流损耗,磁损耗：铜损,A：电感导线截面积 ：电导率 L：电感导

27、线长度,磁性材料,BH曲线,磁芯为磁性材料的情形,磁芯为空气的情形,磁性元件（变压器，电感）的测量,电感 损耗 磁性元件工作状态（B-H曲线） 饱和磁通（Saturation Flux ） 剩余磁通量（Remnant Flux） 矫顽力（Coercive force） 磁导率（Permeability）,开关电源中的磁性元件,电感 单绕组 多绕组 应用：储存能量 变压器 单初级，多次级 应用：传输能量,多绕组电感,开关电源中的磁性元件,对于开关电源系统的影响 大的损耗 高压浪涌 要求大扼流圈和滤波器 不同输出之间互调 占空比范围受到限制,不同电感处于B-H曲线不同工作区,磁性元件的测量,磁特性

28、 峰值磁通量密度 (Bpeak) 磁通量反向单位截面积磁通量密度 测量磁通量密度的饱和 高斯/平方厘米（cgs) 韦伯/平方米 或者特斯拉Tesla（SI）,Bpeak,剩磁,剩磁 (Br) 加入的磁力消失后，磁性电路中剩余的磁感应 是磁滞回曲线中磁力H为零，穿过B轴的点 如果磁心中有气隙，剩磁会小于Br,矫顽力,矫顽力（Hc） 是磁性元件中的消磁力，降低进入磁饱和态后的磁感应B 单位：Oe（Oersted，每米安培匝数）,Hc,磁导率,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。 r = B / H,电感/变压器的测试,电感/变压器 铁心损耗 在线电

29、感值 B-H曲线分析,Time,Icore,VCore,Measurement Challenge铁心损耗 & B-H 曲线分析,为提高性能而设计的磁性元件可能带来功率损耗 了解这些元件的限制对于电源系统安全工作非常重要 以前的测量仪器还不能解决这些问题,测量铁心损耗和在线电感值,磁性元件的铁心损耗 计算电感值,B-H 曲线分析,分析磁滞回曲线 将曲线上的点与相应时域波形分析,磁性元件测量的设置,测量类型,参考电平,物理特性,绕组,磁路长度 匝数 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,磁性元件物理特性,如何得到磁性元件的参数说明书,测量电感两端电压波形 测量电感流过的电

30、流波形 电流探头极性应该与流过电流的极性对应 在TDSPWR3中输入磁路径长度，匝数和磁面积 进行测量,测量单绕组电感的特性,Magnetic Property measurement at coupled inductor,Measure voltage across any one the inductor winding Measure current through each of the the winding Current probe should in the direction of the current flow Input Physical parameter of i

31、nductor Run magnetic property measurement,测量变压器磁特性,磁性元件的功率损耗,总损耗 铁心损耗：曲线的面积 涡流电流损耗：磁阻导致的损耗 铜损：绕组电阻导致的损耗 TDSPWR3 能够测量总损耗,Capture voltage across the inductor Capture current across the inductor Run magnetic loss (Without gating ON) measurement Integral number of cycles can be identified Run magnetic loss (Wit