開關(guān)電源的最大效率驗證和檢定

為保證在可接受的折衷方案下達到最佳效率，驗證和檢定開關(guān)電源（SMPS）的設(shè)計是十分重要的?？赏ㄟ^下列方式完成：測定開關(guān)功率損耗和磁功率損耗來確定電源效率；測定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線路上的開關(guān)電源的作用。

　　電力系統(tǒng)的最大能量損耗通常發(fā)生在AC/DC和DC/DC電源的功率轉(zhuǎn)換期間?；旧厦總€設(shè)計都會優(yōu)先考慮節(jié)能，因此轉(zhuǎn)換功率在80%到90%之間的開關(guān)電源成為主流。理想狀態(tài)下，所有電源都按照數(shù)學(xué)模型工作。然而，在現(xiàn)實世界中卻存在著各種問題，例如：部件存在缺陷、負(fù)載變化不定、線路功率失真和環(huán)境頻繁變化。為保證在可接受的折衷方案下取得最佳效率，關(guān)鍵是要驗證和檢定開關(guān)電源的設(shè)計。要完成這些任務(wù)，通常需要測定開關(guān)功率損耗和磁功率損耗來確定開關(guān)電源的效率，還要測定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線路上的開關(guān)電源的作用。

　　測量開關(guān)損耗

　　開關(guān)電源中的開關(guān)晶體管切換速度快，最大程度地減少了能量損耗。對于開關(guān)電源來說，開關(guān)晶體管在開或關(guān)狀態(tài)下少量散熱時損耗的能量最多。在切換期間發(fā)生能量損耗，這是因為儲存在二極管的電能以及儲存在寄生電感和寄生電容的電能被釋放出來。“關(guān)斷損耗”是指設(shè)備從開到關(guān)過程中的損耗。“關(guān)斷損耗”同樣也指開關(guān)設(shè)備從關(guān)到開過程中的能量損耗。下面是計算切換過程中產(chǎn)生的能量損耗的公式：

　　式中：ETRANSITION指開關(guān)在切換過程中產(chǎn)生的能量損耗；vA(t)指開關(guān)的瞬時電壓；iA(t)指開關(guān)的瞬時電流；t1指切換完成的時間；t0指切換開始的時間。

　　整個開關(guān)周期發(fā)生的總能量損耗由接通開關(guān)損耗、關(guān)斷開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗構(gòu)成。下面是總損耗的計算公式：ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中：ELOSS指開關(guān)周期內(nèi)晶體管的能量損耗；ETURN-ON和ETURN-OFF均為開關(guān)損耗；EON指導(dǎo)電損耗。

　　分析上述損耗對檢定電源、估計其效率是必要的，可采用示波器測開關(guān)損耗（圖1）。使用帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器，可測出多開關(guān)周期的開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，從而確定設(shè)備在不同時間的特性。從測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，可觀察到測量結(jié)果的變化情況。要準(zhǔn)確的測出接通損耗和關(guān)斷損耗是一項挑戰(zhàn)，因為損耗只在短時間內(nèi)發(fā)生，在開關(guān)周期剩下的時間里是極少出現(xiàn)的。測定上述損耗需要對電壓波形和電流波形進行精確的計時，而且測量系統(tǒng)的偏差要達到最小。

圖1 帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器

　　圖1 帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器可顯示多開關(guān)周期的開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，從而確定設(shè)備在不同時間的特性 圖2 可用帶有功率分析軟件的示波器功率損耗測單繞組電感器的功率損耗。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍色軌跡）是用非插入式電流探針測得的通過電感器的電流。功率測量軟件自動計算功率損耗，并以圖的形式顯示出來（278.1 mW）

　　測量磁功率損耗

　　電感器和互感器通常功率損耗都比較小，常被開關(guān)電源用來濾波和改變電壓電平。電感器的阻抗隨頻率的升高而增大，阻止的高頻率比低頻率多。這種特性對電源輸入輸出的濾波有利。

　　互感器將初級繞組的交流電壓和交流電流耦合到次級繞組，使電壓或電流（其中一種）的信號電平增大或減小。互感器初級可接受120V的電壓，通過按比例增大次級的電流，使次級的電壓降到12V。互感器的初級和次級采用的不是電氣連接，在電路元件之間還是需要隔離。

　　磁功率損耗影響電源的效率、可靠性和熱性能。與磁性元件相關(guān)的功率損耗有兩種：鐵芯的鐵耗和銅繞組的銅耗。磁損耗等于鐵耗和銅耗之和。其中，鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，銅耗則是銅繞組線的電阻引起的。

　　從磁芯賣方提供的數(shù)據(jù)表和帶功率測量軟件的示波器得出的結(jié)果可推導(dǎo)出總功率損耗和磁芯損耗。然后，通過這兩個值計算出銅耗。知道功率損耗元件后，可弄清出磁性元件產(chǎn)生功率損耗的原因。

　　磁性元件總功率損耗的計算方法部分取決于被測元件的類型。被測設(shè)備可為單繞組電感器、多繞組電感器或互感器。圖2所示為單繞組電感器的測量結(jié)果。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍色軌跡）是用非插入式電流探針測得的通過電感器的電流。功率測量軟件自動計算功率損耗，并以圖的形式顯示出來（278.1 mW）。

圖2 單繞組電感器的測量結(jié)果

　　為達到最佳性能，設(shè)計者一般利用從廠商處獲得的磁滯曲線來指定磁性元件。在特性曲線中規(guī)定了磁性元件磁芯材料的性能范圍。為保證運行過程中工作電壓和工作電流保持在磁滯曲線的線性區(qū)域內(nèi)，有必要對開關(guān)電源內(nèi)的磁性元件進行檢定。采用專用功率測量軟件，可以大大的簡化用示波器測定磁性的步驟。很多時候，只需測出電壓和勵磁電流，然后由軟件來完成磁性測量的計算。磁性測量可在單繞組電感器上進行，也可在配有初級電流源和次級電流源的互感器上進行。

　　圖3 本圖所示為互感器的磁滯曲線圖，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍色軌跡）是初級電流，通道3（金色軌跡）是次級電流。軟件根據(jù)來自通道2和通道3的數(shù)據(jù)來確定勵磁電流

圖3 互感器的磁滯曲線圖

圖4 在沒有兩根探針偏斜校正的情況下測出的結(jié)果（5.141W）