示波器理想電壓探頭模式測量開關電源輸出

　　電源的額定輸出功率，電壓，電壓頻率是關系用電負載能否正常工作的三個最重要的電源技術指標。開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展應用最普遍一種電源方式。

　　開關電源適用面很廣，現(xiàn)在有關開關電源的輸出電壓特性，有的產品說明書標明是直流電壓，有的實驗證明是工頻脈沖電壓。有產品標明是20—500KHZ以上的高頻電壓。到底開關電源輸出的電壓頻率是多少?電壓占空比是多少?從可查閱的開關電源輸出電壓波形科技圖片資料、生產廠家的產品都不夠明確，說明目前還沒有比較有說服力的實驗方法可以把各種開關電源類型的電壓特性，都能進行確定的測量方式。

　　一，正確認識開關電源輸出的電壓波形

　　開關電源實際是一種高頻開關式的能量變換電子負載，它的一次回路串聯(lián)在供電電源上，二次回路常作為設備的電源供應，常見的變換分類有：Ac-Dc,Dc-Dc,Dc-Ac等。

　　將工頻電壓或直流電壓斬波轉換成高頻電壓給負載供電是開關電源技術應用的核心，因此不可避免在電壓頻率的轉換過程中形成頻繁電壓，電流斷續(xù)干擾紋波信號，反相電壓波信號以及無功電流信號等不同頻率混雜電壓波，一但測量方法選擇不當，就可能出現(xiàn)錯誤的測試結果。

　　我們可以通過一款實用開關電源電路來分析它的電壓頻率變換工作原理。參見圖1-1。

　　圖1-1

　　這是一款AC-DC的開關電源電路，現(xiàn)在絕大多數(shù)的開關電源工作原理基本類似以上電路工作原理：由4部分電路完成能量變換。1、交流電源輸入經整流濾波成直流，2、通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,，開關變壓器初級形成一定占空比例的高頻斷續(xù)脈沖方波3、開關變壓器次級感應出相應高頻電壓方波,經整流、濾波、限流供給負載，4、輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的。

　　從以上開關電源的電路工作原理分析，工頻電壓經過整流慮波成為直流電壓，通過觸發(fā)電路控制開關管陰，陽極進行高速的導通與截止.將直流電斬波轉化為高頻直流脈沖電壓提供給變壓器進行變壓，從而在次級產生所需要的一組直流脈沖電壓，開關管的開關頻率就是變壓器次級電壓輸出電壓頻率，

　　雖然如今示波器的采樣速率和探頭的模擬帶寬在不斷發(fā)展，但在測量快速變化斷續(xù)脈沖式電壓時示波器基本都會出現(xiàn)波形再現(xiàn)性不理想或無法正確觀測波形的現(xiàn)象、其原因就是被測電子電路電壓低且電壓波斷續(xù)速度很快，占空比例不同，加上電網(wǎng)的諧波，無功電流波等強弱、頻率變化電壓的影響，傳統(tǒng)示波器測量方式很難適應這種電壓質量變化造成的。

　　二，常規(guī)示波器靠接測量開關電源電壓特性的方式及缺陷

　　長期以來對開關電源電壓特性的測量有兩主種主要的方式，1，無源電壓探頭靠接電源輸出端測量，2，電流探頭回路電流波磁場感應電壓測量。其中應用最多的是靠接測量方式。

　　見示意圖2—1，用20M以上數(shù)字示波器，10：1無源探頭，將探針直接接觸開關電源正輸出端子，地線環(huán)直接接觸負輸出端，這種測試方法從示波器顯示屏看不出開關電源輸出比較穩(wěn)定的直流斬波的占空時間周期和頻寬波形，示波器普遍會顯示一條有電源紋波和噪聲信號的連續(xù)電壓信號，見附圖2-2。圖2-3，因此對同一型號的開關電源產品測試時因為示波器的掃描時基檔位以及其他采樣方式設置不同，電壓頻率顯示值變化非常大，測試人員會根據(jù)顯示不規(guī)則變化的幾KHZ-幾百KHZ的微弱電壓紋波，噪聲波頻率電壓信號，來判斷開關電源的開關頻率(電壓頻率)。也可能把示波器測量時的電壓幅值的水平線顯示，當作直流電壓輸出。所以這種測量方法的誤差很大，甚至產生錯誤的測量結果。

　　圖2—1

　　圖2—2

　　圖2—3

　　所以為改善示波器對低電壓，高頻率，非線性負載的電壓特性的測量效果，探索新型電壓采樣方式非常必要，以下簡要介紹一種實用效果非常理想的測量方式。

　　三，示波器理想電壓探頭模式測量負載電壓特性方法

　　1、示波器理想電壓探頭模式的優(yōu)勢，特點說明：參見附圖3-1，本項測量技術性能可能與圖表最理想的性能參數(shù)有不太吻合的地方，測量模型方案是一致的，

　　圖3-1

　　2、示波器理想電壓探頭模型的組合

　　參見附圖3-2，由數(shù)字示波器，1×1無源探頭，若干只大功率毫歐級阻值電阻器組合。

　　圖3-2

　　四，示波器理想電壓探頭模型測開關電源電壓特性實際應用效果，

　　以下是通過圖3-3的測量方式檢測一款標定開關頻率是100KHZ的開關電源模塊的輸入、輸出電壓特性圖片。參見圖4-1,示波器GH1，20mv檔測開關電源的輸入電流頻率，示波器CH2，200mv檔測開關電源的輸出電壓頻率，示波器掃描時基為500us，每個脈沖電壓波之間時間是400us，所以正確的輸出電壓頻率是1÷0.0004=2.5KHZ,從示波器兩個顯示通道的顯示電壓曲線分析，開關電源輸入端與輸出端的電信號波形，時間周期是完全一致的。

　　圖4-1

　　以下是通過圖3-3的測量方式檢測另一款標定開關頻率40-60KHZ的開關電源模塊的頻率，參見附圖4-2，示波器CH1測量開關電源的輸入端的輸入電流頻率波形、占空比， CH2測開關電源的輸出電壓頻率，占空比，輸入與輸端的波形也完全一致，每個電壓脈沖之間的時間是1ms，因此該款的開關頻率(電壓頻率)是1KHZ.。

　　圖4-2

　　圖片4-3是所測的一款標定開關頻率40KHZ開關電源空載波形顯示，經過脈沖波之間的時間分析，它的工作頻率電壓是1.2KHZ。

　　圖4-3

　　五。示波器理想電壓探頭測量模式的特點

　　從以上展示的示波器理想電壓探頭模型測量開關電源電壓特性的研究和測量效果分析，示波器理想電壓探頭模式對電路電壓波形測量方式聯(lián)接方法靈活多變、波形顯示清晰穩(wěn)定、有一致性、再現(xiàn)性好的特點，其測量方式安全性好，結構簡單，操作方便，可以對任何負載，線路的電壓波形進行測量，同時能夠滿足中遠距離采樣測量，是電力負荷電壓特性測試準確可靠的有效方法，這項電壓波采樣方式將大大提高示波器測量的準確性，為電氣工作者的科學研究，產品生產，質量檢驗提供可靠的信息資源。