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应对电源原型版设计及调试的挑战

银屏单雄电子科技2018-06-07 16:18:24

电源发展的背景

在全球节能环保的大环境下,电源产品如果仅仅实现功能的设计已

经不能满足新形势市场的需求。高效率,高节能,智能化,微型化

是电源行业未来的发展趋势。如何提高电源行业最为重要的一个参

数--电源效率,在电源原型板设计及调试过程中工程师可以通过准

确评价功率及效率,精准的定位主要功率损耗点,更换器件或更改

拓扑结构等方法来提高电源的效率。在原型版设计和调试的过程中

泰克不仅为您提供高可靠性高精度的示波器,还为您提供了多种选

择的功率探头,最大程度提高您的测试精度和可靠性,助您轻松应

对原型版设计及调试的测试挑战!

电源设计工作流程介绍

根据产品的要求指标,确定设计思路,设计原理图,搭实验板验证

设计的可行性,制作 PCB 印制板。工程师在原型版设计流程如

下:

1.1 材料的选择如电池的标定;

1.2 关键功率元件的标定及选用;

1.3 原型版设计调试;

1.4 电源质量及效率评价;

1.5 电源标准的一致性测试;

在原型版设计调试阶段需要解决问题有

一. 输入电源质量的测试

为什么原型版测试需要对输入电源质量进行测试,事实上,

输入电压和电流波形并不是完全一样的:

1.  实际环境中的电源线永远不会提供理想的正弦波

2.  SMPS是相对于电源的非线性负载

所以需要进行输入电源质量的测试具体项目如下:

  • 真实功率

  • 无功功率

  • 视在功率

  • 功率因数

  • 波峰因数

  • 电流谐波测量

  • THD


在电源设计调试阶段需要使用示波器进行信号的捕获分析,如何能

提高使用示波器及电压电流探头提高测试精度及稳定性,可以从以

下几个角度着手:

1.  去除探头之间的时间延迟

对电力电子器件做功率测量,必须同时测量器件上的电压和电

流需要两个独立的探头:电压和电流每个探头有自己的延迟特

性延迟的差值就是时间延迟。

这9.4ns 的延迟会导致测试数据有很大的误差尤其对于快速的功率

变化信号,所以建议在进行电源产品的电源质量准确评价前需要进

行相差校正工作。

如何能进行示波器的相差校正呢?可以有两种选择,第一种

使用一个校准夹具如上图所示,该夹具能发出一个快沿信号,将电

压探头及电流探头都分别接入该夹具,示波器能测试出两个探头对

同一个信号的时间延迟,可以直接在示波器通道中将该延迟去除。

第二个方法,更经济跟方便的方法,如果您是使用的泰克公司的示

波器及泰克公司的探头可以建议使用以下方法,

在示波器的通道设定中直接进入Deskew 菜单,里面对泰克各种探

头的延迟特性都已经标示出来,示波器识别该探头就是自动告知两

个探头的信号延迟数据,这时如果您选择校正信号延迟则可以去除

信号的时间延迟如下图,

示波器会自动补偿7.4ns的时间延迟特性,为准确的电话质量评价

提供保证。

2. 去除示波器直流偏置误差

示波器自身会产生直流偏置误差,什么原因导致呢?

是由于温度变化和/或长期漂移引起的直流误差 。到底会产生多大

的影响呢?请参见下图:

示波器有1 V  直流偏置误差,

传导损耗= 86.13 mW

如果去除了示波器的直流误差测试结果如下:

去除直流偏置,传导损耗= 72.75 mW.

如何去除示波器的直流误差方法如下:

a)  将示波器预热至少20分钟。删除从通道输入的所有输入信号

(探头的和电缆)。

b)  按下Utility。

c)  按“辅助功能页面”

d)  旋转通用旋钮a 选择“校准”

e)  在下方屏幕菜单中按“信号路径”

f)  在出现的侧面屏幕菜单中按“OK执行补偿信号路径”。OK执行

校准大约需要10 分钟完成。

3. 去除示波器直流偏置误差

3.1 电压探头的直流偏置

3.2 电流探头的偏置调整

a)  钳式电流探头将测试电路去除,必须将滑块推到底,直到探头

显示:“CLOSED”。

b)  第一次测量之前有源电流探头需要预热20分钟以上才能保证测

量结果的精确

c)  每一次测量之后都需要进行探头消磁(Degauss),避免剩磁

对测量结果的影响,为提高调零效果,将调整到探头的测试量

程,然后消磁调零。

二. 有源元件测量:开关器件

晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会达到最

大,因为电路寄生信号会阻止设备立即开关。“关闭损

耗”是指开关设备从ON转换成OFF时损耗的能量,“启

动损耗”则是指开关设备从OFF转换成ON时损耗的能

量。

关闭损耗

图1说明了怎样计算关闭损耗。在t1后,开关电流下降,

二极管电流上升,时间(t 2 -t 1 )取决于驱动器对MOSFET

的栅极到漏极电容C gd  的充电速度。

可以使用下面的公式估算转换过程中损耗的能量:

图 1

其中:

  E off  是转换过程中开关损耗的平均能量。

  V g  是栅极电压。

  i L  是流经电感器的电流。

  t 2  是转换结束时间。

  t 0  是转换开始时间。

这个公式假设流经C ds 和C gd 的电压(从漏极到源极的电

容)呈线性上升。C ds  和C gd  是寄生电容。

在实际环境器件中,电容C ds 和C gd 呈高度非线性化,一

般会随着漏极到源极电压变化。这在一定程度上会影响

上面介绍的理论计算。在IGBT中,由于尾电流现象,电

流的下降时间会比较高。这些差异使得工程师必须捕获

电压不一致的实际曲线。带有专用电源测量软件的示波

器可以大大简化这些测量。

启动损耗

图2 是带有箝位电感负载和二极管恢复电荷的

M O S F E T 的启动损耗。在使用箝位电感负载启动

MOSFET 时,直到存储的电荷恢复时才能积聚二极管

电压。因此,二极管会在负方向上持续传导电流,直到

阻塞电压,这会导致开关发生巨大的损耗。反向恢复电

流依赖于二极管路径中的外部电路。二极管中的电荷取

决于正向电流及二极管关闭转换过程中电流下降的di/

dt。

可以使用下面的公式估算转换过程中损耗的能量:

其中:

  E on  是转换过程中开关损耗的平均能量。

  v a (t)是瞬时栅极电压。

  i a (t)是流经开关的瞬时电流。

  t 1  是转换结束时间。

  t 0  是转换开始时间。

功率损耗

总损耗是开关中的平均功率损耗,包括开关损耗和传导

损耗。总损耗的计算公式如下:

其中:

  P Loss  是开关中的平均功率损耗。

  V switch  是流经开关的瞬时电压。

  I switch  是流经开关的瞬时电流。

  T s  是开关周期。

泰克示波器测试系统为您定位高速开关的损耗:

将高速开关电压及电流信号通过示波器的电压电流探头接入示波

器。可以直接打开示波器的功率测试软件 DPOPWR 进入开关损耗

测试界面。

警告:电压波形和电流波形之间的时间延迟必须去除。具体方法请

咨询 400-820-5835 或者泰克功率测试技巧文档。

安全工作区(SOA )

开关设备安全工作区(SOA)指标汇制了电压对电流图,以检

定设备的工作区域,其通常用来创建电源预计将遇到的各种

工作条件的SOA 曲线。开关设备制造商的产品技术资料会

概括对开关设备的某些限制。其目标是保证开关设备将容忍

电源在最终用户环境中必须处理的工作边界。SOA 测试变

量可能包括各种负荷方案、工作温度变化、高和低线路输入

电压等等。下图为SOA测试实例

无源元件是指不放大信号或开关信号的元件。电源采用

全系列无源元件,如电阻器和电容器,但从测量角度

看,主要重点要放在磁性元件(磁性器件)上,特别是电

感器和变压器。电感器和变压器都由外面缠着几圈铜线

的铁芯组成。

电感器的阻抗会随着频率提高而提高,对较高频率的阻

挡作用要高于较低频率,因此适合滤波电源输入和输出

的电流。

有助于确定电源性能的部分指标包括:

•  电感

•  磁损耗(磁性元件)

•  磁性属性

电感基础知识

电源使用电感器作为能量贮存设备、滤波器或变压器。

作为变压器时,电感器可以帮助保持开关式电源中的振

荡。设计人员需要监测这种设备在工作条件下的行为。

电感值取决于电流和电压来源、激发信号、波形和工作

频率。电感使用下面的公式确定:

其中:

•  L 是电感(单位为亨利)。

•  V 是流经电感器的电压。

•  I 是流经电感器的电流。

•  dt 是信号中的变化速率或转换速率。

可以使用几种不同的解决方案测量电感。例如,LCR仪

表使用内置信号发生器激励被测电感器,然后使用电桥

平衡技术,测量设备阻抗。LCR仪表使用正弦波作为信

号源。但在实际环境的电源中,信号是高电压高电流方波,

因此,大多数电源设计人员首选在电源动态变化的环境下

监测电感器行为,以获得更准确的信息。

使用示波器测量电感

测量实际电源中电感器最常用的工具是示波器。电感测

量本身非常简单,只是探测流经磁性元件的电压和电流,

在很大程度上与前面介绍的开关设备测量类似。

电感测量结果。这里,软件计算的电感为58.97微亨。

磁性功率损耗基础知识

磁性功率损耗影响着电源的效率、可靠性和热性能。有

两种功率损耗与磁性单元有关:磁芯损耗和铜线损耗。

磁芯损耗

磁芯损耗由磁滞损耗和涡流损耗构成。磁滞损耗与DC

通量频率有关,每单位容量磁滞损耗用下面的公式表

示:

其中:

•  P Hyst  是每单位容量的磁滞损耗。

•  H 是场强

•  B 是通量密度。

各种开关频率下的磁芯损耗与通量密度曲线。可以使用磁芯

制造商的产品技术资料计算磁芯损耗,如图所示。这里,制

造商指定了一三象限工作时正弦激励的损耗。制造商还指定

了经验关系,来计算不同AC通量密度和频率下的磁芯损耗。

铜线损耗

铜线损耗源于铜绕组线的电阻。计算铜线损耗的公式如下:

其中:

P cu  是铜线损耗。

I rms  是流经磁性元件的rms 电流。

R wdg  是线圈电阻,这个电阻取决于DC电阻、趋肤效应和接近

效应。

磁性属性基础知识

开关式电源必须在各种工作条件下保持可靠性。为实现

最优性能,设计人员一般会使用制造商提供的B-H (磁

滞)曲线,指定磁性元件、变压器和电感器。这些曲线

定义了磁性元件磁芯材料的性能包络,必须在磁滞曲线

的线性区域内,维护工作电压、电流、拓扑和转换器类

型等因素。很明显,变量这么多,维护起来相当不易。

检定磁性元件的工作区域,同时在SMPS 内保持工作,

对确定电源的稳定性至关重要。测量程序包括汇制磁滞

环路曲线及考察电感器和变压器的磁性属性。

泰克 DPO5000B 磁损耗测试:可以使用磁芯厂商的产品技术

资料及运行电源测量软件的示波器测量结果,迅速得出总功

率损耗和磁芯损耗。可以使用这两个值,计算铜线损耗。在

知道了不同的功率损耗成分后,可以确定磁性元件上的功率

损耗成因。磁性元件功率损耗计算方法在一定程度上取决于

被测的元件类型。被测设备可以是单线圈电感器,也可以是

多线圈电感器,还可以是变压器。

磁损耗测试

使用示波器测量磁性属性

专用电源测量软件可以大大简化示波器测量磁性属性的

过程。在许多情况下,只需测量电压和磁化电流就可以

了,软件会为您完成磁性属性指标的计算过程

B-H 曲线测试

某些电源测量软件还为磁性元件创建具体的B-H曲线,

检定其性能。首先输入磁芯圈数、磁长度和横截面面积,

然后软件会计算 B-H 曲线。

总结:

电源是几乎每种电源供电的电子产品不可分割的组成部

分,开关式电源(SMPS)已经成为数字计算、联网和通

信系统中的主导结构。一个开关式电源的性能或故障可

能会影响昂贵的大型系统的命运。

为保证新兴SMPS设计的可靠性、稳定性、性能和一致

性,唯一的方式是进行测量。SMPS 测量分成几大类,

如有源设备测量、无源设备测量(主要是磁性元件)和电

源质量测量。某些测量可以处理浮动电压和高电流,其

它测量则要求数学密集型分析,提供有意义的结果。电

源测量可能会非常复杂。

现代数字示波器已经成为检定和调试测量的首选工具。

在配备相应的探测工具和自动测量软件时,示波器简化

了挑战性的 SMPS 测量,提供了快速准确的测量结果。

电源原型版测试系统配置:

示波器:MDO3034/MDO4034C

电压探头:THDP02000

电流探头:TCP0030A

软件:MDOPWR


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