電源幾乎對于每種外接電源的電子產(chǎn)品都必不可少址芯，開關(guān)電源系統(tǒng)(SMPS)已成為數(shù)字計算哥捕、網(wǎng)絡(luò)要销、通信系統(tǒng)中的主流結(jié)構(gòu)构回。開關(guān)電源的性能(或者故障)就可能對一個昂貴的大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

　　要確保即將實現(xiàn)的SMPS設(shè)計可靠性疏咐、穩(wěn)定性纤掸、兼容性、安全性凳鬓，測量是唯一的辦法茁肠。SMPS測量分為三個主要部分：有源器件測量患民、無源器件測量(主要是磁性元件)以及電源質(zhì)量測試缩举。有些測量可能要面對浮動電壓和強電流;有些測量需要大量數(shù)學分析，才能得到有意義的結(jié)果匹颤。電源測量可能很復(fù)雜,特別是開關(guān)電源系統(tǒng)測量中安全技術(shù)為引人注目什么吶?應(yīng)先從當今開關(guān)電源(SMPS)技術(shù)發(fā)展趨勢與開關(guān)電源沒計中的挑戰(zhàn)說起仅孩。

　　開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢的特點是：效率越來越高;功率密度越來越高;瞬時負荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術(shù)及符合EN6100003-4 A14標準。

　　開關(guān)電源沒計中面對提升開關(guān)電源效率卡催，降低開關(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)责名。必須提高開關(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)標準;需要簡便易用绘菲、可靠的工具液炼，以及定位問題.

　　開關(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)是開關(guān)電源系統(tǒng)，因為它能夠有效地應(yīng)對變化負載雄工。典型SMPS的電能“信號通路”包括無源器件枕络、有源器件和磁性元件硬拴。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)無損耗的元器件：開關(guān)晶體管搜澈、電容和磁性元件魁济。

　　SMPS設(shè)備有一個控制部分，其中包括脈寬調(diào)節(jié)器乏傀、脈頻調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路等孙已。控制部分可能有自己的電源杆坪。

　SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導體開關(guān)器件淋袖。這些器件開關(guān)時間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰锯梁。同樣重要的是适贸，它們不論在開通還是斷開狀態(tài)，消耗的能量都極少涝桅，效率高而發(fā)熱低拜姿。開關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對開關(guān)器件的主要測量包括：開關(guān)損耗冯遂、平均功率損耗蕊肥、安全工作區(qū)等。

　　開關(guān)電源系統(tǒng)的安全測量

　　工業(yè)電源的安全測量應(yīng)包括：測量高電壓和高電流蛤肌，測量三相電電路壁却，處理浮動設(shè)備或具有不同接地的沒備，檢定數(shù)字控制電路裸准，檢定功率電子器件的瞬時功率分析展东、波形分析、相位角及開關(guān)損耗等均應(yīng)符合行業(yè)標準和法定標準炒俱。

　　為什么不能使用傳統(tǒng)示波器測量

　　以交流供電的傳統(tǒng)示波器是以“地為參考點的測量”盐肃，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相連没靖，從而接到地電位锚倦。而傳統(tǒng)交流供電示波器“差分浮地測量”危險!

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

　　通過用切斷標準三頭AC插座地線的方法或使用一個交流隔離變壓器驱宴，切斷中線與地線的連接任咨。將示波器從保護地線浮動起來，以減小地環(huán)路的影響歧衡。這種方法其實并可行簇友，因為在建筑物的布線中其中線也許在某處已經(jīng)與地線相連。是不安全的測量方法庸颂，會帶來人身傷害和儀器和電路損壞!

　　不能使用傳統(tǒng)示波器測量技術(shù)的原因如下：

　　·分布電容和電感降對待測點帶來超過100pf的感性負載肠豺，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量!也不可使用隔離變壓器進行差分測量!

·示波器在沒有接地的情況下,其電磁兼容特性降達不到設(shè)計要求阻洋，可能干擾待測電路或受到空間電磁波的干擾，影響測量結(jié)果!

　　大多數(shù)示波器的”信號公共線”終端與保護性接地系統(tǒng)相連接阵厨，通常稱之為“接地”败芙。這樣做的結(jié)果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號都具有一個公共的連接點惫谤。該公用連接點通常是示波器機殼壁顶，通過使交流電源設(shè)備電源線中的第三根導線接地線，并將探頭地線連到一個測試點上溜歪。這是一種不安全的測量行為若专。此行為會將儀器底盤(不再接地)的電壓提高為與探頭地線相連的測試點電壓相同。觸摸儀器的用戶就會成為接地的最短路徑蝴猪。

此外,它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定调衰，且獲得的測量結(jié)果也差。而且交流供電儀器在地面浮動時會出現(xiàn)一個大的寄生電容自阱。因此嚎莉，浮動測量將受到振蕩性的破壞，即圖2(a)所示的振鈴出現(xiàn)沛豌。

　　浮動測量新方法的引入

　　所謂“浮動”測量趋箩，即測量的兩個點都不處于接地電位，該測量也常稱為差分測量加派。

　　“信號公共線”與地之間的電壓可能會升高到數(shù)百伏叫确。“浮動”參考接地的示波器是通過使接地系統(tǒng)無效或使用隔離變壓器叁渣，將“信號公共線”從地面斷開玲装。為此需要通過具有內(nèi)置隔離通道技術(shù)的TPS2000系列示波器,使得工程師和技術(shù)人員可以快速、準確溯侦、經(jīng)濟地進行多通道隔離測量墅糯。

　　因為浮動測量技術(shù)使機殼、機柜和連接器等儀器可接觸部件具有探頭地線連接點的電勢方数，而該技術(shù)是危險的辞镇，不僅是因為它升高了示波器上存在的電壓(操作人員可能會遭到電擊)臭赃，還因為它向示波器的電源變壓器絕緣體上累積了應(yīng)力询烤，雖然該應(yīng)力不會立即引發(fā)故障，但是可能在將來引發(fā)危險的故障(電擊和火災(zāi))尽舱，即使將示波器恢復(fù)至正常地接地操作也無法挽回旷酗。這就有可能造成不僅浮動參照接地的示波器很危險，而且會使測量方法不準確元炭，即該電勢的誤差是由于在地線連接點處直接將示波器機殼的總電容與被測電路相連所致星嗜。于是又需采用安全放在第一位的隔離通道(LsoIated ChanneI)技術(shù)作為解決方案掷情。

　　隔離通道技術(shù)

　　在當今使用的寬帶示波器系統(tǒng)中，最常用的隔離方法是雙路方法瘩将，將輸入信號分為兩個信號：低頻和高頻吟税。該方法需要每個輸入通道都具有昂貴的光耦合器和寬帶線性變壓器。

　　使用創(chuàng)新的隔音技術(shù)姿现，取消了雙路方法肠仪，而對每個從直流到示波器帶寬的輸入通道僅使用一個寬帶信號通路。通過該技術(shù)备典，可以提供第一批具有四個輸入 (1solated Channel)异旧、低成本并使用電池供電的示波器，該電池可供示波器連續(xù)工作八個小時提佣。對于需要進行四通道隔離測量吮蛹，并希望獲得由低成本并使用電池供電的示波器提供的性能和易用性的工程師和技術(shù)人員來講,選擇內(nèi)置有隔離通道技術(shù)的TPS2000系列示波器是理想工具。

四隔離通道輸入體系結(jié)構(gòu)向”正”輸入和”負基準”導線(包括外部觸發(fā)輸入)提供了真實且完整的通道間隔離拌屏。

　　電源控制電路(例如電機控制器潮针、不間斷電源和工業(yè)設(shè)備)中的浮動測量要求最為嚴格。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中倚喂，電壓和電流可能大到足夠?qū)τ脩艉蜏y試設(shè)備造成威脅然低。

　　要保證測量質(zhì)量，隔離通道技術(shù)是首選解決方案课妙，并且該技術(shù)始終將安全放在第一位拘挖。如果存在較大的共模信號，能有效的通道與通道隔離將寄生效應(yīng)的影響降到最低翎钳，測量系統(tǒng)的容量越小挑画，那么它與環(huán)境的交互影響也就越小。完全隔離的電池供電儀器本身并不涉及接地問題鸣丝。每個探頭都具有一條與儀器底盤隔離的”負基準”導線猎肄，而不是使用一條固定的地線。

　　而且瘪巡，所有輸入通道的“負基準”導線都彼此隔離欠住。這是避免短路危險的最佳方法。它還在最大程度上降低了信號弱化阻抗佳珊，而該阻抗會影響單點接地儀器中的測量質(zhì)量揉民。

　　無論使用電池電源還是通過交流電源適配器連接到交流電源，TPS2000系列示波器的輸入始終是浮動的听公。因此鼎嫉，這些示波器與傳統(tǒng)示波器所體現(xiàn)的限制并不相同。傳統(tǒng)示波器側(cè)重于性能(帶寬周伦，多功能性)夕春，犧牲了進行浮動測量的能力未荒。

　　電源質(zhì)量測量

　　根據(jù)SMPS組成,它的測量可分有源器件(開關(guān)元件)測量、元源器件(磁性元件) 測量及志、輸入交流供電測量及電源質(zhì)量測量,值此僅對電源質(zhì)量測量作介紹

　　電源質(zhì)量不僅僅取決于發(fā)電機片排。它還取決于電源的設(shè)計和制造以及最終用戶負載。電源的電源質(zhì)量特征定義了電源的“健康”狀況速侈。

　　現(xiàn)實的電線從來不會提供理想的正弦波划纽，線路上總是有一些失真和雜波。開關(guān)電源給供電電源施加了一個非線性負載锌畸。因此勇劣，電壓和電流波形不是完全相同的。電流在輸入周期的某一部分被吸收潭枣，使輸入電流波形上產(chǎn)生諧波比默。確定這些失真的影響是電源工程的一個重要部分。

電源質(zhì)量測量包括：有功功率;視在功率或無功功率;功率因數(shù);波峰因數(shù);根據(jù)EN61000-3-2標準進行的電流諧波測量;總諧波失真(THD)盆犁。

　　應(yīng)用具有運行軟件包(如TDSPWR3)的數(shù)字示波器并行電源質(zhì)量測量帅唬。

　　運行軟件包(如TDSPWR3)的數(shù)字示波器，如TDS5000B系列是替代傳統(tǒng)的功率表和諧波分析儀進行電源質(zhì)量測量的有力工具蘸腾。

　　使用數(shù)字示波器比傳統(tǒng)工具有明顯的優(yōu)勢噪怜。儀器必須能捕獲到基波的高達50次諧波分量。根據(jù)各地使用的標準鸟焊，電源工頻頻率通常是50Hz或60Hz予售。在當今的高速示波器中，過采樣確保能夠詳細地(高分辨率)捕獲快速變化的事件藕龄。相反湿斩，由于響應(yīng)時間相對較長，傳統(tǒng)功率表可能忽略信號細節(jié)削蕊。即時在非常高的采樣分辨率下忧埠，示波器的記錄長度也足以采集整數(shù)個周期。

　　軟件工具能加快測量過程元丈，并將設(shè)置時間降至最低坤乌。大多數(shù)電源質(zhì)量測量都能由示波器上運行的功能完備的電源測量軟件自動進行，數(shù)秒中內(nèi)就能完成漫長的過程显驼。示波器減少了手工計算哼御，成為非常通用高效的功率表。

　　數(shù)字示波器探頭也有助于進行安全搂抒、可靠的電源測量艇搀。用于電源應(yīng)用的高壓差分探頭是觀察浮動電壓信號的首選工具。

　　電流探測需要特殊的考慮求晶。有幾種電流探頭結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)：交流電流探頭基于電流互感器(CT)技術(shù),CT探頭是非插入的焰雕，不能感應(yīng)信號中的直流分量，這可能會造成測量不準確;分流器,該設(shè)計要求切斷電路芳杏，會在探頭內(nèi)部形成電壓降矩屁，可能影響電源測量的準確性;交流/直流電流探頭一般基于霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù),該設(shè)備以非插入方式感應(yīng)交流/直流電流，能夠用一個連接同時讀取交流和直流分量爵赵。

　　當給一臺數(shù)字示波器(如TDS5054B)配備了TDSPWR3軟件時.它就變成了一個真正的自動電源測量平臺吝秕。該軟件自動設(shè)置示波器及其初始測量參數(shù)。如果需要空幻，可以手工對這些設(shè)置進行細調(diào)烁峭。

結(jié)語

　　專業(yè)技術(shù)人員要面對SMPS高壓和電流測量，必須解決測量中的安全性問題,即運行于具有潛在危險的浮動測量秕铛。對此,當今有多種可選技術(shù)或產(chǎn)品進行浮動測量,值此僅以內(nèi)置具有IsoatedChanneI技術(shù)的TPS 2000寬帶示波器為例作為解決方案, 即隔離和浮動測量功能+實驗室示波器的性能+現(xiàn)埸通用+功率專用測量和分析,等于高的生產(chǎn)效率挤毯，那就是浮動測量新方法的應(yīng)用，其特點是具有多功能性讯完、準確性或經(jīng)濟性两漫。

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