開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量中安全性解決方案

前言

　　電源幾乎對(duì)于每種外接電源的電子產(chǎn)品都必不可少，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)(SMPS)已成為數(shù)字計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)中的主流結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)電源的性能(或者故障)就可能對(duì)一個(gè)昂貴的大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

　　要確保即將實(shí)現(xiàn)的SMPS設(shè)計(jì)可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，測(cè)量是唯一的辦法。SMPS測(cè)量分為三個(gè)主要部分：有源器件測(cè)量、無(wú)源器件測(cè)量(主要是磁性元件)以及電源質(zhì)量測(cè)試。有些測(cè)量可能要面對(duì)浮動(dòng)電壓和強(qiáng)電流;有些測(cè)量需要大量數(shù)學(xué)分析，才能得到有意義的結(jié)果。電源測(cè)量可能很復(fù)雜,特別是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)量中安全技術(shù)為引人注目什么吶?應(yīng)先從當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源(SMPS)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計(jì)中的挑戰(zhàn)說(shuō)起。

　　開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的特點(diǎn)是：效率越來(lái)越高;功率密度越來(lái)越高;瞬時(shí)負(fù)荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術(shù)及符合EN6100003-4 A14標(biāo)準(zhǔn)。

　　開(kāi)關(guān)電源沒(méi)計(jì)中面對(duì)提升開(kāi)關(guān)電源效率，降低開(kāi)關(guān)損耗;最大限度地降低磁性器件的功率損耗;需要更快的控制環(huán)路響應(yīng)。必須提高開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)可靠性，要有海量數(shù)據(jù)分析并符合寬帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);需要簡(jiǎn)便易用、可靠的工具，以及定位問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)

　　大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結(jié)構(gòu)是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，因?yàn)樗軌蛴行У貞?yīng)對(duì)變化負(fù)載。典型SMPS的電能“信號(hào)通路”包括無(wú)源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件(如電阻和線性晶體管)，而主要使用(理想情況下)無(wú)損耗的元器件：開(kāi)關(guān)晶體管、電容和磁性元件。

　　SMPS設(shè)備有一個(gè)控制部分，其中包括脈寬調(diào)節(jié)器、脈頻調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路等。控制部分可能有自己的電源。圖1是簡(jiǎn)化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件、無(wú)源器件以及磁性元件。

圖1 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)化示意圖

　　SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。這些器件開(kāi)關(guān)時(shí)間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開(kāi)通還是斷開(kāi)狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開(kāi)關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對(duì)開(kāi)關(guān)器件的主要測(cè)量包括：開(kāi)關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。

開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的安全測(cè)量

　　工業(yè)電源的安全測(cè)量應(yīng)包括：測(cè)量高電壓和高電流，測(cè)量三相電電路，處理浮動(dòng)設(shè)備或具有不同接地的沒(méi)備，檢定數(shù)字控制電路，檢定功率電子器件的瞬時(shí)功率分析、波形分析、相位角及開(kāi)關(guān)損耗等均應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法定標(biāo)準(zhǔn)。

為什么不能使用傳統(tǒng)示波器測(cè)量

　　以交流供電的傳統(tǒng)示波器是以“地為參考點(diǎn)的測(cè)量”，其含義是：交流供電的示波器必須與地線相接，探頭的地線與示波器所有通道的參考點(diǎn)相連，從而接到地電位。而傳統(tǒng)交流供電示波器“差分浮地測(cè)量”危險(xiǎn)!

　　我們測(cè)量的Vc-d=(Va-b+V地環(huán)路電壓)-V地環(huán)路電壓(共模)。

　　通過(guò)用切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護(hù)地線浮動(dòng)起來(lái)，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并可行，因?yàn)樵诮ㄖ锏牟季€中其中線也許在某處已經(jīng)與地線相連。是不安全的測(cè)量方法，會(huì)帶來(lái)人身傷害和儀器和電路損壞!

　　不能使用傳統(tǒng)示波器測(cè)量技術(shù)的原因如下：

　　?分布電容和電感降對(duì)待測(cè)點(diǎn)帶來(lái)超過(guò)100pf的感性負(fù)載，可能造成電路損壞!

　　故不可用剪斷示波器接地線的方法迸行差分測(cè)量!也不可使用隔離變壓器進(jìn)行差分測(cè)量!

　　?分布電容和電感還可能帶來(lái)原本沒(méi)有的振鈴! 見(jiàn)圖2(a)所示。

圖2a 寄生電感和電容引起振蕩會(huì)使信號(hào)失真，導(dǎo)致測(cè)量無(wú)效。

　　?示波器在沒(méi)有接地的情況下,其電磁兼容特性降達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可能干擾待測(cè)電路或受到空間電磁波的干擾，影響測(cè)量結(jié)果!