測試背景

開關電源，是一種通過控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。

開關電源技術的日益成熟，使得電源設備或模塊的體積和重量都日益減小，轉換效率也越來越高。負載設備因應用場合的不同，對電源可承受工作電流、輸入電網環境、輸出穩定性等指標的要求也不盡相同。綜合評估動態的電源工作狀態，示波器絕對是開關電源完整性測試的首選必備儀器。以下為安泰工程師為大家推薦的開關電源完整性測試方案。

主要測試項目：

電源質量，電流諧波，突入電流，開關損耗，安全工作區，調制分析，紋波和噪聲

測試前需要思考和準備的工作：

• 浮地測試的正確方法？
• 無源探頭的補償
• 電流探頭的消磁與偏置校準
• 電壓/電流通道的延時校準

浮地測試

電源測試中大量電壓測試為浮地測試，即不以地作參考的差分電壓測試。

正確安全的浮地測試必須使用差分探頭，剪斷示波器地線或使用隔離變壓器供電的方法是錯誤和危險的！

因為示波器接地點上的電位，會與示波器探頭地線連接電路的電壓一致，浮地電壓甚至可達上百伏！這會導致金屬機箱、示波器BNC負極等人手容易觸碰的地方帶電，非常危險！

A-B測量法

使用兩只普通的無源電壓探頭，在示波器的兩個通道上進行測量，然后使用Math運算功能做CH1-CH2，也可以進行浮地測量。但缺點是需占用2個通道，且最大的限制主要來自于共模電壓測量范圍極小，時常遇到兩通道電壓都很高但差值很小的情況，測量誤差極大。

示波器電源未接地線可能存在的危害：

• 操作人員可能觸電，非常的危險；
• 分布電容，會對待測點帶來較大的容性負載，可能損壞待測電路；
• 分布電感，可能帶來并不存在的振鈴現象；
• 未接地的示波器，其EMC性能在一定程度上會降低，導致示波器壽命降低，同時也會受到空間電磁波干擾或者干擾被測電路，導致波形失真。

無源探頭補償

大多數探頭被設計為匹配特定的示波器的輸入電路，然而不同的示波器之間有細微的變化，甚至在同一示波器的不同輸入通道之間也會有。

一個未經補償的探頭可能會導致各種各樣的測量錯誤，特別是測量脈沖上升或下降時間。

高壓差分探頭還會有直流偏置，也需要在測試前校準！

因此，在首次使用無源探頭、高壓差分探頭以及電流探頭時，需要預先做好補償&校準工作。

電流探頭消磁和偏置校準

電流探頭在儀器上電、掉電或輸入電流過大時，需進行消磁操作！在電流探頭測量電流前，LOCK狀態下有直流偏置時，也必須進行校準！電流探頭切換垂直檔位到更小檔位時，也需要重新調零！

電壓/電流通道延時校準

電壓探頭&電流探頭，連接在示波器的2個通道上，信號在不同傳輸路徑上的時間延遲必須經過校準，以保證功率測量的準確性

電源輸入端分析

電源質量分析：確定電源線上的功率消耗及電能質量。

電流諧波分析：測量開關電源是否符合IEC61000-3-2電流諧波標準。

按對諧波電流之限制，設備可被分為以下4類：

A類：平衡的三相設備、家用電器（不包括列入D類的設備）、工具（不包括便攜式工具）、白熾燈調光器、音頻設備，以及未規定為B/C/D類的設備

B類：便攜式電動工具、不屬于專用設備的弧焊設備

C類：照明設備

D類：功率不大于600W 的下列設備：個人計算機以及顯示器、電視接收機

浪涌電流分析：確認流過各元器件的電流是否超過了允許值。

開關電源第一次打開時，輸入端的濾波電容相當于瞬間短路，會產生一個上升時間較快，幅度較大（正/負）的瞬態開機電流。

執行浪涌電流測量，可以確認AC開關、整流橋、保險絲、EMI濾波器是否超過允許電流限制。反復開關環路，AC輸入電壓不應損壞電源，或導致保險絲燒斷一般會將示波器設置為峰值檢測模式，使用單次觸發捕獲波形。

開關器件分析

開關損耗分析：測量開關器件的功率和能量損耗大小。

理想狀態下，開關損耗=導通損耗(VDS=0V)+關斷損耗(IDS=0A)=0W。

但實際情況并非那么令人滿意，開關電源的功率和能量損耗大部分出現在在晶體管的開啟和關閉切換時間里，即T1-T2和T3-T4時段。另外在T2-T3時段里，晶體管處于導通狀態，此時電壓為晶體管最小飽和電壓，并產生電流，這也會引入功率損耗。

在晶體管關斷階段，損耗微乎其微，理論上可視為零。但有一種可能也會引入功率損耗，那就是電流探頭未經偏置校準。這種損耗，在開關電源里并未實際發生，但因測量方法的不當，得到了錯誤的結果。

所以，我們強調在測量之前，一定要對電流探頭和電壓探頭進行偏置校準和補償。另外還需要對電壓和電流通道間的延時進行校準，以確T1/T2/T3/T4時間差的準確性。

安全工作區SOA：

開關器件應工作在安全工作區內，此指標可通過開關器件數據手冊查詢得到

此指標，主要反映開關器件漏極-源極電壓和源極電流在安全工作狀態下的關系。

調制分析：

反饋控制環路目的是穩定輸出電壓，調制分析正是分析開關電源的控制環路特性。

電源輸出端分析

紋波和噪聲：PARD (periodic and random deviation 周期和隨機性干擾)

低頻紋波：主要為50Hz工頻及其諧波成分，幅值小，易濾除

高頻紋波：主要為開關管在導通和截止的過程中產生的干擾

控制環路：控制環路并非實時響應，無法做到完全的線性調節

測量建議：

• 盡量減少示波器探頭接地線的影響
• 摘去示波器探頭帽和接地鱷魚夾
• 使用接地彈簧針，并選擇離信號點最近的接地點接地
• 使用1:1衰減比例探頭
• 建議使用AC耦合
• 打開示波器20MHz帶寬限制
• 可并聯0.1uF電容
• 示波器保持良好接地

開關電源功率分析軟件

用途：控制和監測示波器，記錄電壓和電流波形，采集測量數據，最終生成測試報告。

推薦型號：Ultra Power Analyzer(RIGOL)

適用主機：DS7000&DS6000 & DS4000 & DS2000A系列

電源測試中需要用到多種測試儀器，其中示波器和探頭最為常用。用戶需要根據測量信號的不同，選擇合適的高壓、高壓差分和電流探頭。配合軟件，用戶可以獲得電源特性相關的各種測量結果。

RIGOL推出的Ultra Power Analyzer電源分析軟件是一款基于PC的全功能電源分析測試軟件。可以完成多項常用測試需求，采用在線和離線兩種方式分析測試結果，測試完成后，可以為用戶提供清晰明了的測試報告。

開關電源測試常規推薦配置

電源是電子設備中重要的組成部分，開發、設計和調試電源電路是產品研發與生產的重要環節。綜合評估動態的電源工作狀態也是我們必不可少的一項工作。上述安泰工程師為大家分享的開關電源完整性測試方案，希望給大家測試帶來幫助。

安泰安泰測試作為普源的一級代理商，為客戶提供產品選型、樣機演示及試用、售后培訓、維修等一站式服務，讓客戶選型無憂，售后無煩惱。我們致力于與中國普源一起為國產儀器事業添磚加瓦。