使用數(shù)字熒光示波器調(diào)試功率因數(shù)校正電路

一、快捷簡易地分析帶有有源功率因數(shù)校正電路的開關(guān)電源中的波形

為了獲得高功率因數(shù)，大多數(shù)開關(guān)電源設(shè)計都采用了有源功率因數(shù)校正電路。雖然這一設(shè)計可極大提高效率，但也給數(shù)字示波器的波形分析帶來了許多麻煩。而現(xiàn)在，則可通過裝有TDSPWR2功率測量和分析軟件的TDS5000系列、TDS7054或TDS7104數(shù)字熒光示波器(DPO）大大加快設(shè)計和調(diào)試工作。

功率因數(shù)(PF)在技術(shù)方面是指實(shí)損耗的功率與視在功率之比，以0～1之間的小數(shù)表示。人們很早就知道，PF是正弦電壓和電流波形之間的相位差。當(dāng)AC 負(fù)載有電容或電感時，電流波形與電壓不同相，而產(chǎn)生不被負(fù)載損耗的附加AC電流。這種附加電流可在電力電纜中產(chǎn)生12R的損耗。

當(dāng)把開關(guān)電源視為AC負(fù)載時，它是非線性的，既非純電感，也非純電容。開關(guān)電源以與線路電壓相同的脈沖輸送電流。VRMS和IRMS的乘積些時大大高于實(shí)際損耗的功率，因此PF小于1。圖1所示為典型的線路電壓和線路電流波形。

每一位設(shè)計師都希望功率因數(shù)為1，從而最大限度的提高效率。為達(dá)此目的，設(shè)計師需要采用無源功率因數(shù)校正，或有源功率因數(shù)校正。大多數(shù)設(shè)計采用的是有源功率因數(shù)校正電路。

二、以DPO偵錯功率因數(shù)校正電路

在設(shè)計帶有有源功率因數(shù)校正電路的開關(guān)時電源時，用數(shù)字示波器分析波形的作業(yè)始終非常麻煩。在這些電路中，典型作法是在輸入整流電橋的后面的一級升壓變換電路。需要注意的是，此時開關(guān)電路的工作頻率遠(yuǎn)高于線頻率。這就需要有一個可變升壓比，以在輸入電壓變化時保持輸出電壓的恒定。因此，開關(guān)電路的占空比須隨輸入電壓的變化而變化。當(dāng)輸入電壓低時，占空比高。反之，當(dāng)線路電壓高時，占空比低。為了分析這一行為，設(shè)計師需根椐電源線路每半個周期內(nèi)的脈沖變化，詳細(xì)檢視升壓變換器的每一個脈沖。如果設(shè)計師想了解負(fù)載和/或線路電壓變化時的MOSFET和二極管上的電壓承受力，這種分析則更為重要。

有源功率因數(shù)校正可穩(wěn)定整流器前端的電流。開關(guān)變換器則可調(diào)節(jié)開關(guān)管開關(guān)的脈沖寬度或工作周期，使之符合線路電流和線路電壓的波形。控制信息嵌入在電晶體時序的變量之中。

以前，設(shè)計人員是使用模擬示波器分析和調(diào)試50/60Hz的線路信號以及幾百千赫的快速開關(guān)信號。在確定總體脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號行為時，設(shè)計人員要逐位元地編譯這一信息。

后來，設(shè)計人員開始轉(zhuǎn)用具有所需性能的數(shù)字儲存示波器，擷取低頻信號以及快速的瞬態(tài)開關(guān)信號。這些信號有如下要求：

(1) 高取樣速率，即能夠在開關(guān)裝置的時序信號上擷取嵌入信息的取樣速率

(2) 深度記錄長度，即能使設(shè)計人員觀察到低頻干線信號和開關(guān)信號的記錄長度

但即使有了這些信息，設(shè)計人員仍需付出很多精力和時間，才能獲得開關(guān)信號中的脈沖或工作周期變量。因?yàn)檫@些信息均需人工計算。此外，使用者不能在一般的數(shù)字存儲示波器中自動量測功率因數(shù)。

TDSPWR2功率量測分析應(yīng)用軟件可使這些任務(wù)簡單易行，它可提供：
　　(1) 電力品質(zhì)量測功能
　　(2) 調(diào)制分析能力

設(shè)計人員可通過TDSPWR2中的電力品質(zhì)量測功能，即時進(jìn)行重要的電力品質(zhì)量測。如果另尋其他方法，則只能依靠專用的功率分析儀。

功率因數(shù)值一旦確定，便可輕而易舉地通過TDSPWR2的調(diào)制分析能力進(jìn)步調(diào)試PWM信號。

TDSPWR2可用下列方法分析PWM信號：
　　(1) 脈沖寬度時域波形
　　(2) 占空比時域波形
　　(3) 周期時域波形
　　(4) 頻率時域波形

通過TDSPWR2的這種調(diào)制分析功能和TDS5000/7000系列示波器的每秒5GS高取樣速率，以及深度記錄長度，設(shè)計人員便能夠以高水平解析度，輕松地擷取線信號的兩至三個周期和快速瞬態(tài)開關(guān)信號。TDSPWR2可自動計算脈沖寬度變量與時間的關(guān)系曲線。

此外，用戶可以根據(jù)線路電壓、電流信號以及脈沖寬度的時域波形來可檢視PWM信號脈沖寬度變量隨時間變化的曲線，以及線路電壓和線路電流。這就提供了 PWM信號行為的一幅全景圖，而在負(fù)載和線路電壓變化之際，這正是保持所需的PF 所必不可少的信息。該應(yīng)用軟件可即時擷取PWM信號中的任何不合乎要求的瞬態(tài)。

三、結(jié)論

TDSPWR2軟件的電力品質(zhì)測量和調(diào)制分析能力，顯著地縮短了設(shè)計和調(diào)試任務(wù)的周期。與TDS5000和TDS7000系列示波器的取樣速率和存儲深度結(jié)合使用時，該應(yīng)用軟件可使設(shè)計人員以最大的效率，輕松地調(diào)試帶有有源功率校正電路的開關(guān)電源，得到接近1的功率因數(shù)指標(biāo)。