电源系统分析与测试

电源系统分析与测试宋磊泰克科技（中国）有限公司开关电源(SMPS)技术的发展趋势…效率越来越高…功率密度越来越高…瞬时负荷…低电压，高电流…宽带供电技术…符合EN61000-3-4 AM14 标准开关电源设计中的挑战…提升开关电源效率–降低开关损耗–最大限度地降低磁性器件的功率损耗–需要更快的控制环路响应…提高开关电源系统可靠性–符合宽带技术标准…需要简便易用、可靠的工具，定位问题面对这些挑战…测量–开关损耗和总平均损耗–磁性损耗–安全工作区–峰值磁通量密度–磁导率–控制环路响应–某个频率范围上的波纹–根据EN61000-3-2 标准迅速进行测试测试工具如何帮助您提升开关电源系统效率导致SMPS效率低下的主要因素…开关器件的功率损耗–开关损耗–传导损耗…磁性器件的功率损耗–铁芯损耗–近场效应损耗–线圈损耗–漩涡电流损耗开关损耗V ds I dsP ds1 2 344T on 损耗0开关器件的功率损耗: T 1 到T 24总平均损耗0开关器件的功率损耗: T 1到T 44Toff 损耗0开关器件的功率损耗: T 3到T 4开关损耗和总平均损耗的测量需求…动态范围: 同时测量几百伏到几百毫伏的电压…消除电压探头和电流探头引起的时间偏移…差分探头和电流探头固有的噪声…SMPS的工作模式…识别真实开关转换测量开关损耗和总平均损耗…开关器件的典型开关电压–差分–信号特点如下~~500VAC/DC SMPS的开关电压~100’~50VDC/DC SMPS 的开关电压…捕获AC/DC 开关电压的DSO 设置–50V/格…理想的样点到样点分辨率–500V/256~2V >1V…捕获DC/DC 开关电压的DSO 设置–5V/格…理想的样点到样点分辨率–50V/256~100mV理解垂直刻度一定时8位DSO的灵敏度~~500VAC/DC SMPS的开关电压~100’~50VDC/DC SMPS 的开关电压根据垂直刻度设置，DSO 可能无法测量传导过程中的电压电压信号和电流信号之间的时间偏移…开关器件的测量挑战–电压探头和电流探头引起的时间偏移Time …TDSPWR3提供了高达150A DC的实时偏移校正功能…静态时间偏移校正功能支持所有泰克电流探头设置差分电压探头和电流探头…差分探头–为预热和稳定提供充足的时间–把两个差分输入连接到同一个测试点上–在示波器进行‘平均’测量–按照信号平均值零点调节DC 平衡…电流探头–为预热和稳定提供充足的时间–对电流探头消磁–在示波器进行‘平均’测量–按照信号平均值零点调节DC 平衡开关电流中的噪声…开关器件中的总平均损耗…DSO中测得的总平均损耗~< 2 -5mA(由于测试设置导致的噪声)VdsId为在DSO中精确测量总平均损耗，必需消除电流中的噪声SMPS工作模式对总平均损耗的影响…总平均损耗的测量精度取决于–脉宽变化–SMPS拓扑–SMPS的开机时间–SMPS的负荷变化状态为精确测量开关损耗和总平均损耗，必需捕获整个事件理解需要长记录长度，以进行精确测量…有源功率因数校正电路APFC SMPS–改变脉宽，以在输出上保持恒定的电压–经过开关器件的电流会变化PWM 信号对50Hz工频供电来说，10ms的记录长度可以保证捕获所有开关变化确定DSO记录长度的参数…取样速率应该至少是测得的模拟信号带宽的5倍…一般在一个边沿上需要5 -8个样点; 100 ns转换至少要求50 MS/s的取样速率…单次采集的记录时间与记录长度直接成正比记录长度(样点数量)记录时间(秒) =取样速率(样点/秒)计算记录长度…为同时查看50 Hz 线路信号(一个周期)，和100 ns (8个样点/边沿) 边沿的PWM信号…每条通道2MB记录长度、1.25GSa/s取样速率的示波器可以满足这一要求20ms记录长度(样点数量) =12.5 ns=1.6MB识别真实的开关转换…开关损耗测量–必须识别真实的Ton 和Toff转换，消除开关器件减幅振荡导致的误判–典型的信号特点Vd sId s识别真实的开关转换…开关器件上的测量挑战–识别由于开关器件减幅振荡导致的真实的Ton 和Toff转换IdVd sVg 0解决方案4使用门驱动信号作为参考信号TDSPWR3 设置开关器件的功率测量…测量类型–解决示波器伏/格设置中的灵敏度问题–光标选通允许选择数据，适应所有变化，进行精确测量TDSPWR3 支持输入RDSon 或Vce(sat) 或set Auto开关器件的功率测量…边沿分析–能够选择信号源，识别真实的开关转换…开关电压…门驱动电压–指定电平，识别边沿为边沿定义适当的参考电平边沿来源开关器件的功率测量4T on和T off电平4灵活地定义开关电压和电流信号的参考电平4能够以绝对电平或峰到峰值幅度百分比的方式定义参考电平输入参考电平，测量Ton 和Toff…信号调理TDSPWR3 设置开关器件的功率测量信号调理功能将漏极电流在开关器件关断过程中设为零滤波器协助定位开机过程中正确的电流电平，以计算T on损耗SMPS开关器件的功率损耗选通数据有源PFC中的Ton, Toff和总平均损耗推挽拓扑结构中的Ton,Toff 和总平均损耗反激拓扑中的Ton, Toff 和总平均损耗…设置–使用工频作为触发源–门级驱动信号作为参考边沿–捕获至少半个工频周期的开关电压和电流波形–最小采样率设为50MS/sAPFC中的开关损耗…结果–计算Ton, Toff和总损耗析…设置–使用开关电压进行边沿分析–打开信号调理Fly back 结构电源的开关损耗进行边沿分部分推挽式电路的开关损耗测量参考电平…设置–使用开关电压进行边沿分析–打开信号调理电子镇流器H桥开关损耗测量…捕获至少半个工频周期的开关电压和电流波形（Vds& Ids）…选择测量类型为周期和频率可变型…根据边沿设置参考电平然后进行测量磁性器件的功率损耗…磁性损耗–铁芯损耗…磁滞曲线内部的区域–涡流损耗…由磁阻引起的损耗–铜缆损耗…线圈电阻损耗不同磁性器件的功率损耗…单线圈电感–电感的功率损耗…耦合电感–每个绕组上的功率损耗之和…变压器–原边线圈上的功率损耗减所有负边线圈上的功率损耗耦合电感中的磁性损耗测量…捕获电感中的电压…捕获电感中的电流…进行磁性损耗(选通OFF) 测量–可以识别整数个周期…进行磁性损耗(选通On) 测量–不能识别整数个周期…如在SMPS 从DCM切换到CCM时…如有源PFC SMPS…对每个线圈重复测量…每个线圈上的磁性损耗之和，等于总损耗…测量源边线圈的磁性损耗…测量每个副边线圈的磁性损耗…使用稳定状态负荷进行这一测量…保持相同的DPO 设置，测量每个线圈的磁性损耗变压器上的磁性损耗= 磁性功率@ 源边线圈减磁性功率@副边线圈变压器磁性损耗测量磁性损耗测量泰克测试与测量工具帮助你提升开关电源可靠性SMPS 的可靠性问题…可靠性取决于–最大限度地降低波形减幅振荡和负荷瞬变，其可能会导致雪崩、功率损耗过高或不稳定条件–在安全工作区(SOA)内运行开关器件–在磁滞效应曲线的线性区域中运行磁性器件–控制环路的稳定工作定位可靠性问题…测量–安全操作区域(SOA)–使用HiPower Finder 功能–峰值磁通量密度–导磁率–控制环路调制分析…占空比变化…脉宽变化…频率变化…周期变化定位功率损耗过高和雪崩…HiPowerFinder安全工作区…实时SOA (使用泰克DPO 功能)安全工作区…选通区域中的SOA…SOA，支持模板测试单线圈电感磁特性测量耦合电感/变压器磁特性测量…测量任何一个线圈中的电压…测量通过每个线圈的电流–电流探头应放在电流流动的方向中…输入导线的物理参数–匝数–磁路径长度–横截面面积…进行磁特性测量变压器中的磁特性测量控制环路响应…有源PFC SMPS的控制环路响应…SMPS开机过程中的控制环路响应宽带技术一致性测试…通过以太网传送功率–需要符合802.3af 标准…测量波纹和噪声频率范围波纹和噪声极限(mVpk-pk) <500Hz50020KHz-150KHz200150KHz-500KHz150500KHz-1000KHz50根据802.3af标准测量波纹和噪声…频谱分析设置开始频率和停止频率自动计算RBW结果根据EN61000-3-2标准进行预先一致性测试…TDSPWR3 支持–EN61000-3-2标准–EN61000-3-2标准及AM14…在EN61000-3-2 AM14 中–为应用提供电路参数的功率、功率因数和基础电流等信息–确定基于测得值和电路参数的极限表–选择1.5秒滤波器EN61000-3-2标准预先一致性测试结果自动纹波测量…TDSPWR3 –单键测量–开关纹波和工频纹波测试报告产生4TDSPWR3 可以自动产生用户定义的测试报告4单个按钮就可以自动产生测试报告4创建报告模板，带示波器测量值，设置4纸张尺寸选择4可再编辑4容易转换的文件格式泰克功率测量解决方案…TDS5000/7000B/6000 和CSA7000B 示波器–350MHz及以上带宽–5GSa/s取样速率–在一条通道上提供了8MB的记录长度…差分探头–P5205, P5210, P5200 差分探头…电流测量–TCPA300系统或TCP202 电流探头…独特的功率应用–TDSPWR3功率测量和分析应用软件…时间偏移校正夹具–消除电压探头和电流探头之间的传播延迟。