如何利用示波器有效輔助開關電源設計

2020-12-05 電子產品世界

Q1：開關電源輸出電壓的紋波是一個重要的指標，如何正確使用示波器來測量這個指標？

A1：紋波的定義是附著於直流電平之上的包含周期性與隨機性成分的雜波信號，英文稱為 PARD (Periodic And Random Deviation）。它的定義是雜波的峰峰值。測量紋波要注意的事項：

示波器探頭地線會帶來很大紋波，應該拔掉地線直接使用探頭內地線進行測量。當然，最好的測量方法是使用50歐姆終端電阻，用BNC電纜直接聯結到示波器，這裡應該注意該50歐姆電阻要考慮功耗，可能要大功率電阻。

相關的標準要求，比如是否要分出周期性工頻紋波和開關紋波，高頻噪聲等。再比如，測量頻率是否要限制在20MHz以下。

Q2：開關電源總會有電磁輻射，同時越有可能受到其他電器設備的幹擾。怎樣做才能達到期即不受其他電器的幹擾，又有效地方志器向外輻射呢？

A2：開關電源因工作在高電壓大電流的開關狀態下，其引起的電磁兼容性問題是相當複雜的。從整機的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產生的三個要素為：幹擾源、傳播途徑及受幹擾體。共阻抗耦合主要是幹擾源與受幹擾體在電氣上存在共同阻抗，通過該阻抗使幹擾信號進入受幹擾對象。線間耦合主要是產生幹擾電壓及幹擾電流的導線或PCB線，因並行布線而產生的相互耦合。電場耦合主要是由於電位差的存在，產生的感應電場對受幹擾體產生的耦合。磁場耦合主要是大電流的脈衝電源線附近產生的低頻磁場對幹擾對象產生的耦合。而電磁波耦合，主要是由於脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對相應的受幹擾體產生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區分的，只是側重點不同而已。

從電磁兼容性的三要素講，要解決開關電源的電磁兼容性，可從三個方面入手。1）減小幹擾源產生的幹擾信號；2）切斷幹擾信號的傳播途徑；3）增強受幹擾體的抗幹擾能力。在解決開關電源內部的電磁兼容性時，可以綜合運用上述三個方法，

以成本效益比及實施的難易性為前提。對開關電源產生的對外幹擾，如電源線諧波電流、電源線傳導幹擾、電磁場輻射幹擾等，只能用減小幹擾源的方法來解決。一方面，可以增強輸入輸出濾波電路的設計，改善有源功率因數校正（APFC）電路的性能，減少開關管及整流續流二極體的電壓電流變化率，採用各種軟開關電路拓撲及控制方式等。另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙洩漏，並進行良好的接地處理。而對外部的抗幹擾能力，如浪湧、雷擊應優化交流輸入及直流輸出埠的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，可採用氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管等的組合方法來解決

減小開關電源的內部幹擾，實現其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩定性及可靠性，應從以下幾個方面入手：

TEK推出的功率測試方案就可以對電流諧波按EN61000-3-2標準進行預先一致性測試，具體可參看: http://www.kingcable.com.cn/kingcableweb/tektronix/glcl/b7.htm

Q3：開關電源在低溫下啟動（如：－20℃以下）有什麼特殊的要求嗎？

A3：關鍵是器件選擇的溫度範圍。比如電容、MOSFET、二極體等等。

Q4：如何精確的去測試開關電源的紋波與噪音？在測試Ripple noise時是不是要在專門的實驗室才可以,因為實驗中的其它設備對它的影響都比較大在TDS430中應如何去設定呢？

A4：當然如果您有專門的實驗室進行紋波測量是最理想的。在不具備這個條件的時候應當注意的問題有：

  • 示波器應該有良好的接地。
  • 如果您的測量標準有帶寬限制的要求，應該打開TDS430A中的20MHz帶寬限制，
  • 使用示波器的交流耦合
  • 使用BNC電纜，並用TDS430A的50歐姆輸入阻抗檔進行測量（這時您可能需要50歐姆的大功率負載，BNC適配器或者製作測試夾具）
  • 為提高測量精度，不應該使用示波器的探頭，示波器探頭的地線會引入比較大的噪聲。

Q5：在AC/DC開關電源中能否用示波器進行功率因數測量？如何進行測量？

A5：其實使用示波器測量功率因數就是測量電壓與電流之間的相位差即cosφ，同時泰克TDS5000功率測試系統也自動對PFC的相關參數進行測量(如：THD,True Power,Apparent Power,Power Factor等)。

Q6：用泰克示波器的FFT功能可以看到開關電源的輻射的頻率及幅度，但是這裡面的幅度的值與認證中心的值的概念是一樣嗎？假如不是，怎樣轉換？而且我還發現，假如在看波形時選不同的V/DIV，在FFT狀態下有不同的幅度？正常嗎？---我用的型號是TDS1012。

A6：使用示波器的FFT功能測得的幅值只能作為定性的分析，而不能作為定量的分析，因此只具備參考價值，若希望對頻譜幅度進行分析可選擇Blackman-Harris窗口,這樣效果會好一些；當轉換V/div時一定會對FFT的幅值產生影響，因為這是受到示波器本身的ADC的解析度限制，所以我們為了希望提高測量精度，一般會選擇將波形儘可能佔滿整個屏幕（但決不能超出屏幕），也就是選擇較小的V/div檔位。

Q7：在設計軟開關PWM變換器時（如PWM半橋開關變換器），怎樣用示波器觀察MOSFET Vt/It 軌跡？

A7：首先你的示波器要有通道間的時延校正功能，這樣進行相關數??算時才能保證基本的準確性。你使用高壓差分電壓探頭及電流探頭測量。TEK推出的功率測試方案中就可以動態的觀察MOSFET的整個工作過程，你可以參看以下網址: http://www.kingcable.com.cn/kingcableweb/tektronix/glcl/intro.htm

Q8：請問輸出電容和輸出電感的選擇應該根據負載的供電需求確定，那對於L和C值都應該按照datasheet上的確定的公式套用嗎？如果按照公式推算出來的值在實際應用中出現了問題，那麼我們應該根據什麼來更換呢？

A8：不同拓樸的輸出扼流圈及輸出濾波電容的計算公式是不同的，你應該按你所選的電路結構選擇合適的計算公式。輸出電容的大小主要由輸出紋波電壓要抑制為幾毫伏決定，這就要計算出ESR，然後可按廠家提供的DATASHEET選擇。但選電容時還要考慮負載的變化，電流變化範圍，輸出電感感量等等都會使電容特性改變。

Q9：在開關電源的設計中常會遇到的棘手問題是效率問題。而整機的效率很大程度上取決與開關管的損耗，在我們的電路和器件選定後，開關管的開關波形測量很重要，可以根據它的數據來判斷和改善開關工作狀態。那麼在利用示波器進行這項測試時應該如何正確操作和注意那些問題呢？

A9：開關電源中有兩大主題：提高效率和提高可靠性。效率就要測損耗，損耗主要集中在開關管和磁性元件上。為此我們應該通過示波器測量開通損耗、截止損耗、導通損耗，同樣的對變壓器和電感能測量其磁芯損耗、動態電感。TEK的TDSPWR2能做到這些工作，你可以參看下面的網址：http://www.kingcable.com.cn/kingcableweb/tektronix/glcl/intro.htm

Q10：在實際工作中，當碰到突發的毛刺信號，請問如何捕捉和測試？

A10：比如我們在進行時鐘測試時，經常會碰到偶發毛刺信號，該信號將會對我們的電路產生誤動作，因此捕獲該信號成為測試的關鍵，由於事先我們無法判斷該毛刺為正還是為負，因此我們須先利用TDS5000示波器的數字螢光功能即快速波形捕獲模式結合無限餘輝查看毛刺特徵，然後利用示波器的高級觸發功能——脈寬觸發依照信號特徵，如：小於正常時鐘脈衝寬度觸發。

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