開(kāi)關(guān)電源的最大效率驗(yàn)證和檢定

為保證在可接受的折衷方案下達(dá)到最佳效率，驗(yàn)證和檢定開(kāi)關(guān)電源（SMPS）的設(shè)計(jì)是十分重要的?？赏ㄟ^(guò)下列方式完成：測(cè)定開(kāi)關(guān)功率損耗和磁功率損耗來(lái)確定電源效率；測(cè)定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線路上的開(kāi)關(guān)電源的作用。

　　電力系統(tǒng)的最大能量損耗通常發(fā)生在AC/DC和DC/DC電源的功率轉(zhuǎn)換期間。基本上每個(gè)設(shè)計(jì)都會(huì)優(yōu)先考慮節(jié)能，因此轉(zhuǎn)換功率在80%到90%之間的開(kāi)關(guān)電源成為主流。理想狀態(tài)下，所有電源都按照數(shù)學(xué)模型工作。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中卻存在著各種問(wèn)題，例如：部件存在缺陷、負(fù)載變化不定、線路功率失真和環(huán)境頻繁變化。為保證在可接受的折衷方案下取得最佳效率，關(guān)鍵是要驗(yàn)證和檢定開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。要完成這些任務(wù)，通常需要測(cè)定開(kāi)關(guān)功率損耗和磁功率損耗來(lái)確定開(kāi)關(guān)電源的效率，還要測(cè)定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線路上的開(kāi)關(guān)電源的作用。

　　測(cè)量開(kāi)關(guān)損耗

　　開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)晶體管切換速度快，最大程度地減少了能量損耗。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)晶體管在開(kāi)或關(guān)狀態(tài)下少量散熱時(shí)損耗的能量最多。在切換期間發(fā)生能量損耗，這是因?yàn)閮?chǔ)存在二極管的電能以及儲(chǔ)存在寄生電感和寄生電容的電能被釋放出來(lái)。“關(guān)斷損耗”是指設(shè)備從開(kāi)到關(guān)過(guò)程中的損耗。“關(guān)斷損耗”同樣也指開(kāi)關(guān)設(shè)備從關(guān)到開(kāi)過(guò)程中的能量損耗。下面是計(jì)算切換過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗的公式：

　　式中：ETRANSITION指開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗；vA(t)指開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)電壓；iA(t)指開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)電流；t1指切換完成的時(shí)間；t0指切換開(kāi)始的時(shí)間。

　　整個(gè)開(kāi)關(guān)周期發(fā)生的總能量損耗由接通開(kāi)關(guān)損耗、關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗構(gòu)成。下面是總損耗的計(jì)算公式：ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中：ELOSS指開(kāi)關(guān)周期內(nèi)晶體管的能量損耗；ETURN-ON和ETURN-OFF均為開(kāi)關(guān)損耗；EON指導(dǎo)電損耗。

　　分析上述損耗對(duì)檢定電源、估計(jì)其效率是必要的，可采用示波器測(cè)開(kāi)關(guān)損耗（圖1）。使用帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器，可測(cè)出多開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，從而確定設(shè)備在不同時(shí)間的特性。從測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，可觀察到測(cè)量結(jié)果的變化情況。要準(zhǔn)確的測(cè)出接通損耗和關(guān)斷損耗是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)閾p耗只在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，在開(kāi)關(guān)周期剩下的時(shí)間里是極少出現(xiàn)的。測(cè)定上述損耗需要對(duì)電壓波形和電流波形進(jìn)行精確的計(jì)時(shí)，而且測(cè)量系統(tǒng)的偏差要達(dá)到最小。

圖1 帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器

　　圖1 帶有專業(yè)功率分析軟件的示波器可顯示多開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，從而確定設(shè)備在不同時(shí)間的特性 圖2 可用帶有功率分析軟件的示波器功率損耗測(cè)單繞組電感器的功率損耗。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍(lán)色軌跡）是用非插入式電流探針測(cè)得的通過(guò)電感器的電流。功率測(cè)量軟件自動(dòng)計(jì)算功率損耗，并以圖的形式顯示出來(lái)（278.1 mW）

　　測(cè)量磁功率損耗

　　電感器和互感器通常功率損耗都比較小，常被開(kāi)關(guān)電源用來(lái)濾波和改變電壓電平。電感器的阻抗隨頻率的升高而增大，阻止的高頻率比低頻率多。這種特性對(duì)電源輸入輸出的濾波有利。

　　互感器將初級(jí)繞組的交流電壓和交流電流耦合到次級(jí)繞組，使電壓或電流（其中一種）的信號(hào)電平增大或減小?；ジ衅鞒跫?jí)可接受120V的電壓，通過(guò)按比例增大次級(jí)的電流，使次級(jí)的電壓降到12V。互感器的初級(jí)和次級(jí)采用的不是電氣連接，在電路元件之間還是需要隔離。

　　磁功率損耗影響電源的效率、可靠性和熱性能。與磁性元件相關(guān)的功率損耗有兩種：鐵芯的鐵耗和銅繞組的銅耗。磁損耗等于鐵耗和銅耗之和。其中，鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，銅耗則是銅繞組線的電阻引起的。

　　從磁芯賣方提供的數(shù)據(jù)表和帶功率測(cè)量軟件的示波器得出的結(jié)果可推導(dǎo)出總功率損耗和磁芯損耗。然后，通過(guò)這兩個(gè)值計(jì)算出銅耗。知道功率損耗元件后，可弄清出磁性元件產(chǎn)生功率損耗的原因。

　　磁性元件總功率損耗的計(jì)算方法部分取決于被測(cè)元件的類型。被測(cè)設(shè)備可為單繞組電感器、多繞組電感器或互感器。圖2所示為單繞組電感器的測(cè)量結(jié)果。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍(lán)色軌跡）是用非插入式電流探針測(cè)得的通過(guò)電感器的電流。功率測(cè)量軟件自動(dòng)計(jì)算功率損耗，并以圖的形式顯示出來(lái)（278.1 mW）。

圖2 單繞組電感器的測(cè)量結(jié)果

　　為達(dá)到最佳性能，設(shè)計(jì)者一般利用從廠商處獲得的磁滯曲線來(lái)指定磁性元件。在特性曲線中規(guī)定了磁性元件磁芯材料的性能范圍。為保證運(yùn)行過(guò)程中工作電壓和工作電流保持在磁滯曲線的線性區(qū)域內(nèi)，有必要對(duì)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的磁性元件進(jìn)行檢定。采用專用功率測(cè)量軟件，可以大大的簡(jiǎn)化用示波器測(cè)定磁性的步驟。很多時(shí)候，只需測(cè)出電壓和勵(lì)磁電流，然后由軟件來(lái)完成磁性測(cè)量的計(jì)算。磁性測(cè)量可在單繞組電感器上進(jìn)行，也可在配有初級(jí)電流源和次級(jí)電流源的互感器上進(jìn)行。

　　圖3 本圖所示為互感器的磁滯曲線圖，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍(lán)色軌跡）是初級(jí)電流，通道3（金色軌跡）是次級(jí)電流。軟件根據(jù)來(lái)自通道2和通道3的數(shù)據(jù)來(lái)確定勵(lì)磁電流

圖3 互感器的磁滯曲線圖

圖4 在沒(méi)有兩根探針偏斜校正的情況下測(cè)出的結(jié)果（5.141W）