普源示波器電源質(zhì)量與效率分析測試

隨著眾多新品手機快充技術(shù)的應(yīng)用，大家對以 GaN、SiC 為代表的快充充電器增加了 更多的關(guān)注。由于 GaN、SiC 等新型半導(dǎo)體的寬禁帶等特性，使得以其為核心的電源 具有更高的開關(guān)速度、更低的開關(guān)損耗和更高的轉(zhuǎn)換效率，使得充電器可以更小巧， 更節(jié)能環(huán)保。在電動車，便攜電子設(shè)備中得到的愈加廣泛的應(yīng)用。

在開關(guān)電源類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程中，電源的轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓紋波和電源電能質(zhì) 量都是直接影響開關(guān)電源質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

電源電能質(zhì)量

電源電能質(zhì)量是電源測試中的基本測試項，是標(biāo)定電源工作參數(shù)的測試依據(jù)。電 源電能質(zhì)量主要包含了電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)及諧波等參數(shù)。

電源轉(zhuǎn)換效率

轉(zhuǎn)換效率就是電源的輸出功率與輸入功率的比值，是電源類產(chǎn)品的基本指標(biāo)，開 關(guān)電源的設(shè)計首先需要考慮的是效率優(yōu)化。 高電源轉(zhuǎn)化效率意味著電源產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保指標(biāo)更高，同時也會降低用電費用， 對關(guān)注充電效率和節(jié)能環(huán)保的充電樁、光伏發(fā)電等一些高功率供電設(shè)備具有特別 重要的意義。

電源輸出電壓紋波

紋波就是一個直流電壓中的交流成分。對于直流輸出開關(guān)電源，輸出直流電壓的 穩(wěn)定性會直接影響驅(qū)動設(shè)備的工作穩(wěn)定性。影響直流電源輸出電壓穩(wěn)定性的指標(biāo) 主要是紋波。紋波越小，直流電源輸出的電壓越穩(wěn)定，波動越小。

原理描述/工作方式

開關(guān)電源的典型原理框圖如下：

電源的電能質(zhì)量

如下參數(shù)為衡量開關(guān)電源電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。我們在通過測試電源線上的電源 輸入及質(zhì)量進行開關(guān)電源電能質(zhì)量測試時，這些參數(shù)也是主要的測試項。

V_RMS：為供電交流電源的電壓有效值；

I_RMS：為開關(guān)電源工作狀態(tài)輸入交流電源的供電電流有效值；

視在功率：等于 V_RMS 與 I_RMS 的乘積，表示輸出給開關(guān)電源的電量容量， 單位為 VA；

有功功率：指電源單位時間實際消耗的電能量，是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能 量的電功率，單位為 W；

無功功率：是指在具有電抗元件（電容和電感）的交流電路中，為建立交變磁 場和感應(yīng)磁通而需要的電功率。該部分能量在電源與電感元件間交換，但不 轉(zhuǎn)化為機械能和熱能。單位為 VAR；

PF 功率因數(shù)：等于有功功率與視在功率的比值，表示開關(guān)電源對交流電源電 量的利用效率。功率因數(shù)越低，代表無功功率越大。除了電感電容等元器件產(chǎn)生的無功功率，非線性器件造成的高頻諧波成份，也會帶來一部分無功功率。

φ 相角：開關(guān)電源中的相角主要是指在開關(guān)電源工作狀態(tài)，交流供電線路電 壓與電流的相位差。

電源的轉(zhuǎn)換效率

開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的主要影響因素為：開關(guān)器件的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，磁性器 件的鐵損，銅損等。其中開關(guān)損耗是其中重要的因素。 在 MOSFET 及 IGBT 等開關(guān)器件在開關(guān)導(dǎo)通及截止關(guān)閉過程中，由于電路中的 電感元件及功率器件的電子漂移速度的影響，在導(dǎo)通瞬間，電壓不能馬上變?yōu)?0， 而電流已經(jīng)開始上升；在關(guān)閉瞬間，電流不能馬上變?yōu)?0，而電壓已經(jīng)上升。所 以會產(chǎn)生開關(guān)損耗。

優(yōu)化電路設(shè)計，選擇具有理想開關(guān)特性的功率器件或者軟開關(guān)等技術(shù)，可以有效 降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。

電源輸出電壓紋波

開關(guān)電源輸出電壓的紋波輸出電壓主要來自功率器件導(dǎo)通與關(guān)閉時脈動電流在 輸出濾波電容上產(chǎn)生的電壓波動，通常在幾百 kHz 以上，低頻部分主要來源為電 源工頻干擾及其諧波。

開關(guān)電源電路中產(chǎn)生的諧波會影響負(fù)載及電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常工作。

環(huán)境搭建與操作步驟

電源電能質(zhì)量與功率效率測試環(huán)境搭建

測試準(zhǔn)備如下：

1. 將 RP1100D 高壓差分探頭連接到示波器 DS7054 的 CH1; 并將探頭勾住電源輸 入端的 L 線與 N 線。

2. 將 RP1001C 電流探頭連接到示波器 DS7054 的 CH2，并執(zhí)行消磁及調(diào)零；

3. 將 RP1001C 電流探頭勾住電源輸入端的 L 線。

4. 開關(guān)電源的輸出端與電子負(fù)載 DL3031A 的輸入端連接；

Step2 負(fù)載設(shè)置及測試

1. 按下 DL3031A 的 CC 恒流按鍵，調(diào)整 CC 電流使恒壓輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CC 功能。 對于 LED 驅(qū)動等恒流輸出電源，按下 DL3031A 的 CV 恒壓按鍵，調(diào)整 CV 電壓使 恒流輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CV 功能。

2. 記錄 DL3031A 屏幕上顯示的功率值，為開關(guān)電源的輸出功率 Pout。

Step3 執(zhí)行電源電能質(zhì)量測量

1. 按下示波器屏幕左下角的多功能按鍵，在彈出的菜單中選擇電源分析，分析類型 選擇電源質(zhì)量，在源中設(shè)置 CH1 為電壓通道，CH2 為電流通道。并打開顯示功 能。此時在示波器的屏幕上會顯示電源質(zhì)量測試結(jié)果。

2. 記錄 Real Power（有功功率）為開關(guān)電源的輸入功率 Pin。

3. 根據(jù) Pout/Pin，計算得到此開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。

Step4 執(zhí)行電流諧波測量

1. 將示波器通過 USB 線纜與 PC 連接；

2. 打開 PC UPA 軟件，并配置電流諧波測試參數(shù)；

3. 點擊軟件執(zhí)行測試，在軟件上會直接顯示諧波的通過情況。

總結(jié)

本指南介紹了開關(guān)電源電能質(zhì)量、電源轉(zhuǎn)換效率及紋波的影響及測試方法。使用示波 器與直流電子負(fù)載即可快速完成電源產(chǎn)品的質(zhì)量測試，替代了之前使用功率分析儀及 復(fù)雜軟件操作才能進行的電源質(zhì)量測試方法，大大節(jié)省測試的成本。 對于完成電源質(zhì)量與效率、紋波的測試所需的設(shè)備推薦如下：