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什么是开关电源?为了确保开关电源的安全性、可靠性,应当进行哪些测试?示波器在测试中的应用解析

作者:博宇科技 宁工

开关电源测量技术

开关电源是控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。目前,开关电源以小型、轻量和高效率等特点被广泛应用在各类电子设备中,是电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

确认电源的功能、可靠性、提供测试数据、给客户满足要求的产品,是每一个电源厂商、供应商的不断追求。今天,我们从AC-DC、DC-DC两种电源工作模式的角度,给大家分享一下示波器的可以完成哪些开关电源的测试。

一、AC-DC的开关电源的测量

1.开关电源模型
典型的开关电源有市电交流(AC)输入、输入滤波、整流滤波、逆变电路、输出滤波、直流输出和辅助控制电路组成。如下图所示:

2.示波器电源分析
     示波器电源分析可以帮助用户快速的分析电源的效率和可靠性等。支持分析测量内容包括电源质量、电流谐波、浪涌电流、开关损耗、转换速率、调制分析、开启/关闭、瞬态响应、电源抑制比、效率和输出纹波噪声等。

    下面,我们从交流到直流的变换过程,来逐一介绍示波器的电源分析功能。
    
2.1 交流AC输入测量

示波器可以对开关电源的交流AC输入进行测量,具体有以下几个方面:
(1)电能质量测量
显示 AC 输入线的质量。测量AC 线的电流和电压的功率因数、视在功率、有效功率、 无功功率、波峰因数及相位角。
(2)电流谐波测量
开关电源会从 AC 主电源引入一系列谐波。
支持的测量标准:IEC61000-3-2 A, IEC61000-3-2 B, IEC61000-3-2 C
或IEC61000-3-2 D
 (3)突入电流测量
测量初次开启电源时电源的峰值突入电流。
2.2开关测量

示波器可以对开关电源的开关性能进行测量,具体有以下几个方面:
(1)Rds(on) 和 Vce(sat) 
可测量开关设备导通电阻、饱和压降。
(2)开关损耗测量
可计算在开关设备中的开关周期内耗散的功率
(3)转换速度测量
可测量开关期间电压或电流的变化速率。
(4)调制分析测量
测量到开关设备 (MOSFET) 的控制脉冲信号,并观察控制脉冲信号响应 不同事件的脉冲宽度、占空比、周期、频率等的趋势。

2.3输出测量

示波器可以对开关电源的输出特性进行测量,具体有以下几个方面:
(1)输出纹波测量
    测量电源输出的波纹噪声。
(2)开启/关闭测量
    开启分析可确定开启的电源达到其稳定状态输出 90% 所耗用的时间。
关闭分析可确定关闭的电源降至其最大输出电压 10% 所耗用的时间。
(3)瞬变响应测量定电源的输出电压对输出负载变化的响应速度。该时间从输出 电压首次退出稳定带开始,到最后一次进入稳定带为止
(4)效率测量
通过测量输出功率和输入功率,可测试电源的整体效率。
2.4频率响应测试

示波器可以对开关电源的频率响应进行测量,具体有以下几个方面:
(1)电源抑制比 (PSRR)测量
电源抑制比 (PSRR) 测试用于确定稳压器抑制不同频率范围波纹噪声的情况。
(2)控制回路响应 (波特图)测量
可在频率扫描范围内执行增益 / 相位绘图。 此分析用于确定控制回路的余量。

二、DC-DC的开关电源测量
除第一部分所述交流至直流转换测试部分外,DC-DC电源的测试更加复杂。在高速电路中传输数据的速率提高伴随着数字数字信号的上升时间变短。信号在短时间内幅度的快速变化,会带来信号的发射、串扰问题,设计者需要进行传输过程的信号完整性分析与测试。 
1.电源完整性(Power Integrity)分析主要涉及以下几个方面

电源完整性的仿真分析

DC-DC的输出阻抗测试

电源分布网络PDN的阻抗测试

直流DC-DC反馈环路的测试

开关电源的纹波与噪声测试

开关电源特性及功效分析

电源系统抗干扰能力的测试


2.通过示波器可以完成哪些直流电源测试项目

(1)直流DC-DC反馈环路的测试

增益-相位测试(波特图),同上AC-DC测试部分

(2)开关电源特性及功效分析

使用传统电源分析完成测试,同上AC-DC测试部分

(3)开关电源的纹波与噪声测试

在数字中,由电路板、电源滤波LC、芯片封装、芯片内部IC电路引起的电源噪声频率会在几KHz或是几GHz非常宽的频率范围内,因此需要在更宽的频率范围内测量电源纹波,而不仅仅是在传统20MHz。
推荐力科的RP4030(4GHz的带宽)和HDO9404高精度示波器完美配合,进行电源完整性测试

(4)电源系统抗干扰能力的测试

在正常电源上模拟和施加干扰,以验证被测设备在恶劣环境下能否正常工作。典型测试配置如下图所示:


查看示波器

查看电源

查看信号发生器




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什么是开关电源?为了确保开关电源的安全性、可靠性,应当进行哪些测试?示波器在测试中的应用解析

作者:博宇科技 宁工

开关电源测量技术

开关电源是控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。目前,开关电源以小型、轻量和高效率等特点被广泛应用在各类电子设备中,是电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

确认电源的功能、可靠性、提供测试数据、给客户满足要求的产品,是每一个电源厂商、供应商的不断追求。今天,我们从AC-DC、DC-DC两种电源工作模式的角度,给大家分享一下示波器的可以完成哪些开关电源的测试。

一、AC-DC的开关电源的测量

1.开关电源模型
典型的开关电源有市电交流(AC)输入、输入滤波、整流滤波、逆变电路、输出滤波、直流输出和辅助控制电路组成。如下图所示:

2.示波器电源分析
     示波器电源分析可以帮助用户快速的分析电源的效率和可靠性等。支持分析测量内容包括电源质量、电流谐波、浪涌电流、开关损耗、转换速率、调制分析、开启/关闭、瞬态响应、电源抑制比、效率和输出纹波噪声等。

    下面,我们从交流到直流的变换过程,来逐一介绍示波器的电源分析功能。
    
2.1 交流AC输入测量

示波器可以对开关电源的交流AC输入进行测量,具体有以下几个方面:
(1)电能质量测量
显示 AC 输入线的质量。测量AC 线的电流和电压的功率因数、视在功率、有效功率、 无功功率、波峰因数及相位角。
(2)电流谐波测量
开关电源会从 AC 主电源引入一系列谐波。
支持的测量标准:IEC61000-3-2 A, IEC61000-3-2 B, IEC61000-3-2 C
或IEC61000-3-2 D
 (3)突入电流测量
测量初次开启电源时电源的峰值突入电流。
2.2开关测量

示波器可以对开关电源的开关性能进行测量,具体有以下几个方面:
(1)Rds(on) 和 Vce(sat) 
可测量开关设备导通电阻、饱和压降。
(2)开关损耗测量
可计算在开关设备中的开关周期内耗散的功率
(3)转换速度测量
可测量开关期间电压或电流的变化速率。
(4)调制分析测量
测量到开关设备 (MOSFET) 的控制脉冲信号,并观察控制脉冲信号响应 不同事件的脉冲宽度、占空比、周期、频率等的趋势。

2.3输出测量

示波器可以对开关电源的输出特性进行测量,具体有以下几个方面:
(1)输出纹波测量
    测量电源输出的波纹噪声。
(2)开启/关闭测量
    开启分析可确定开启的电源达到其稳定状态输出 90% 所耗用的时间。
关闭分析可确定关闭的电源降至其最大输出电压 10% 所耗用的时间。
(3)瞬变响应测量定电源的输出电压对输出负载变化的响应速度。该时间从输出 电压首次退出稳定带开始,到最后一次进入稳定带为止
(4)效率测量
通过测量输出功率和输入功率,可测试电源的整体效率。
2.4频率响应测试

示波器可以对开关电源的频率响应进行测量,具体有以下几个方面:
(1)电源抑制比 (PSRR)测量
电源抑制比 (PSRR) 测试用于确定稳压器抑制不同频率范围波纹噪声的情况。
(2)控制回路响应 (波特图)测量
可在频率扫描范围内执行增益 / 相位绘图。 此分析用于确定控制回路的余量。

二、DC-DC的开关电源测量
除第一部分所述交流至直流转换测试部分外,DC-DC电源的测试更加复杂。在高速电路中传输数据的速率提高伴随着数字数字信号的上升时间变短。信号在短时间内幅度的快速变化,会带来信号的发射、串扰问题,设计者需要进行传输过程的信号完整性分析与测试。 
1.电源完整性(Power Integrity)分析主要涉及以下几个方面

电源完整性的仿真分析

DC-DC的输出阻抗测试

电源分布网络PDN的阻抗测试

直流DC-DC反馈环路的测试

开关电源的纹波与噪声测试

开关电源特性及功效分析

电源系统抗干扰能力的测试


2.通过示波器可以完成哪些直流电源测试项目

(1)直流DC-DC反馈环路的测试

增益-相位测试(波特图),同上AC-DC测试部分

(2)开关电源特性及功效分析

使用传统电源分析完成测试,同上AC-DC测试部分

(3)开关电源的纹波与噪声测试

在数字中,由电路板、电源滤波LC、芯片封装、芯片内部IC电路引起的电源噪声频率会在几KHz或是几GHz非常宽的频率范围内,因此需要在更宽的频率范围内测量电源纹波,而不仅仅是在传统20MHz。
推荐力科的RP4030(4GHz的带宽)和HDO9404高精度示波器完美配合,进行电源完整性测试

(4)电源系统抗干扰能力的测试

在正常电源上模拟和施加干扰,以验证被测设备在恶劣环境下能否正常工作。典型测试配置如下图所示:


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