泰克示波器电源能效管理—电源测量和分析入门手册

电源是把电能从一台设备转换到另一台设备的元件、子系统或系统，其通常从交流(AC)电源转换成直流(DC)电源。从个人电脑到军事设备和工用机械，电子设备的正常运转离不开DC电源的性能和可靠性。

电源分成许多不同的类型和规格，包括传统模拟式电源电源到高效的开关式电源。所有这些电源都面临着复杂的动态工作环境。设备负载和需求在不同时间之间可能会大幅度变化。即使是商用开关电源，也必须能够承受突然出现的远远超过平均工作电流的峰值电流。设计电源或设计采用电源的系统的工程师必需了解电源在静止条件到坏条件下的行为。

从历史上看，检定电源行为意味着使用数字万用表进行静态电流和电压测量，然后在计算器或PC上麻烦地进行计算。今天，大多数工程师正转向示波器，作为首选的电源测量平台。

现代示波器可以配备集成电源测量和分析软件，简化设置，更轻松地进行测量。用户可以定制关键参数，自动进行计算，在几秒钟内查看结构，而不只是原始数字。

本入门手册将重点介绍怎样使用示波器和专用软件测量开关式电源设计。

电源设计问题直指测量需求

在理想状态下，每个电源的的行为方式都应与设计使用的数学模型类似。但在实际环境中，元件是不理想的，负载会变化，线路电源可能会失真，环境变化会改变性能。此外，性能和成本需求变化也进一步提高了电源设计的复杂性。考虑一下下面的问题：

• 电源可以保持高于额定输出容量多少瓦？保持多长时间？
• 电源散发多少热量？在过热时会出现什么情况？要求多少冷却气流？
• 在负载电流大幅度提高时会发生什么情况？设备能够保持额定输出电压(负载稳压)？电源对输出完全短路会作出什么样的反应？
• 在电源输入电压变化时会发生什么情况(线路稳压)？

设计人员需要开发出占用空间更少、能耗效率更高、减少散热量、降低制造成本、满足更严格的EMI/EMC标准的电源。只有严格的测量体系，才能引导工程师实现上述目标。

开关式电源基础知识

在大多数现代系统中，流行的DC电源结构是开关式电源(SMPS)，这种电源因能够高效处理负载变化而闻名。典型SMPS的电源信号路径包括无源元件、有源元件和磁性元件。SMPS大限度地减少了有损耗的元件的使用量，如电阻器和线性模式晶体管，重点采用(在理想条件下)没有损耗的元件，如开关式晶体管、电容器和磁性元件。

 

SMPS设备还包括一个控制段，其中包含脉宽调制稳定器、脉冲速率调制稳定器和反馈环路等单元1。控制段可以有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，其中显示了包括有源单元、无源单元和磁性单元的电源转换段。

SMPS技术依托电源半导体开关设备，如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘门双极晶体管(IGBT)。这些设备提供了快速开关时间，能够耐受没有规律的电压峰值。同样重要的是，其在On状态或Off状态下消耗的功率非常小，实现了很高的效率，而生成的热量很低。开关设备在极大程度上决定着SMPS的整体性能。开关设备的关键测量项目包括开关损耗、平均功率损耗、安全工作区等等。

1 本入门手册介绍与电源路径有关的测量，包括与输出有关的内部单元的测试。控制段测量是比较传统的基于波形和基于逻辑的观测项目，本文中没有涉及这些测量。
 

有源元件测量：开关单元

开关式设备中的功率损耗原理

晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会达到大，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2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(t2-t1)取决于驱动器对MOSFET的栅极到漏极电容Cgd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：

其中：

• Eoff是转换过程中开关损耗的平均能量。
• V8是栅极电压。
• L是流经电感器的电流。
• 2是转换结束时间。
• 0是转换开始时间。

这个公式假设流经Cds和Cgd的电压(从漏极到源极的电容)呈线性上升。Cds和Cgd是寄生电容。

在实际环境器件中，电容Cds和Cgd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。

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