芯耀
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隨著眾多新品手機(jī)快充技術(shù)的應(yīng)用，大家對(duì)以 GaN、SiC 為代表的快充充電器增加了更多的關(guān)注。由于 GaN、SiC 等新型半導(dǎo)體的寬禁帶等特性，使得以其為核心的電源具有更高的開關(guān)速度、更低的開關(guān)損耗和更高的變換效率，使得充電器可以更小巧，更節(jié)能環(huán)保。在電動(dòng)車，便攜電子設(shè)備中得到的愈加廣泛的應(yīng)用。
在開關(guān)電源類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，電源的轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓紋波和電源電能質(zhì)量都是直接影響開關(guān)電源質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
電源的質(zhì)量、效率和紋波
1、電源電能質(zhì)量電源電能質(zhì)量是電源測(cè)試中的基本測(cè)試項(xiàng)。
是標(biāo)定電源工作參數(shù)的測(cè)試依據(jù)。電源電能質(zhì)量包含了電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)及諧波等參數(shù)。
2、電源轉(zhuǎn)換效率。
換效率就是電源的輸出功率與輸入功率的比值，是電源類產(chǎn)品的基本指標(biāo)，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)首先需要考慮的是效率優(yōu)化。
高電源轉(zhuǎn)化效率意味著電源產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保指標(biāo)更高，同時(shí)也會(huì)降低用電費(fèi)用，對(duì)關(guān)注充電效率和節(jié)能環(huán)保的充電樁、光伏發(fā)電等一些高功率供電設(shè)備具有特別重要的意義。
3、電源輸出電壓紋波紋波就是一個(gè)直流電壓中的交流成分。
對(duì)于直流輸出開關(guān)電源，輸出直流電壓的穩(wěn)定性會(huì)直接影響驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工作穩(wěn)定性。影響直流電源輸出電壓穩(wěn)定性的指標(biāo)主要是紋波。紋波越小，直流電源輸出的電壓越穩(wěn)定，波動(dòng)越小。
原理描述
開關(guān)電源的典型原理框圖
電源的電能質(zhì)量
如下參數(shù)為衡量開關(guān)電源電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。我們?cè)谕ㄟ^測(cè)試電源線上的電源輸入及質(zhì)量進(jìn)行開關(guān)電源電能質(zhì)量測(cè)試時(shí)，這些參數(shù)也是主要的測(cè)試項(xiàng)。
I_RMS：為開關(guān)電源工作狀態(tài)輸入交流電源的供電電流有效值；
視在功率：等于 V_RMS 與 I_RMS 的乘積，表示輸出給開關(guān)電源的電量容量，單位為 VA；
有功功率：指電源單位時(shí)間實(shí)際消耗的電能量，是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的電功率，單位為 W；
無(wú)功功率：是指在具有電抗元件（電容和電感）的交流電路中，為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率。該部分能量在電源與電感元件間交換，但不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能。單位為 VAR；
PF 功率因數(shù)：等于有功功率與視在功率的比值，表示開關(guān)電源對(duì)交流電源電量的利用效率。功率因數(shù)越低，代表無(wú)功功率越大。除了電感電容等元器件產(chǎn)生的無(wú)功功率，非線性器件造成的高頻諧波成份，也會(huì)帶來一部分無(wú)功功率。
φ相角：開關(guān)電源中的相角主要是指在開關(guān)電源工作狀態(tài)，交流供電線路電壓與電流的相位差。
電源的轉(zhuǎn)換效率開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的主要影響因素為：開關(guān)器件的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，磁性器件的鐵損，銅損等。其中開關(guān)損耗是其中重要的因素。
在 MOSFET 及 IGBT 等開關(guān)器件在開關(guān)導(dǎo)通及截止關(guān)閉過程中，由于電路中的電感元件及功率器件的電子漂移速度的影響，在導(dǎo)通瞬間，電壓不能馬上變?yōu)?0，而電流已經(jīng)開始上升；在關(guān)閉瞬間，電流不能馬上變?yōu)?0，而電壓已經(jīng)上升。所以會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。
開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率
優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，選擇具有理想開關(guān)特性的功率器件或者軟開關(guān)等技術(shù)，可以有效降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。
電源輸出電壓紋波開關(guān)電源輸出電壓的紋波輸出電壓主要來自功率器件導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)脈動(dòng)電流在輸出濾波電容上產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，通常在幾百 kHz 以上，低頻部分主要來源為電源工頻干擾及其諧波。
開關(guān)電源電路中產(chǎn)生的諧波會(huì)影響負(fù)載及電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常工作。為了控制用電設(shè)備的諧波指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，歐盟發(fā)布的 IEC61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了開關(guān)電源需要符合的電流諧波標(biāo)準(zhǔn)。
EN61000-3-02 分類和標(biāo)準(zhǔn)
A 類設(shè)備諧波限制標(biāo)準(zhǔn)
電源電能質(zhì)量與功率效率測(cè)試
環(huán)境搭建
電源電能質(zhì)量測(cè)試連接示意圖
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電源轉(zhuǎn)換效率測(cè)試連接圖
本測(cè)試的測(cè)試準(zhǔn)備如下：1、將 RP1100D 高壓差分探頭連接到示波器 DS7054 的 CH1; 并將探頭勾住電源輸入端的 L 線與 N 線。2、將 RP1001C 電流探頭連接到示波器 DS7054 的 CH2，并執(zhí)行消磁及調(diào)零；3、將 RP1001C 電流探頭勾住電源輸入端的 L 線。4、開關(guān)電源的輸出端與電子負(fù)載 DL3031A 的輸入端連接；
操作步驟
執(zhí)行通道延遲校正 1、RPA246 偏移校正夾具通過 USB 線供電后，將 RP1100D 的正負(fù)極連接到夾具的電壓正負(fù)極；將 RP1001C 電流探頭夾在夾具的電流環(huán)路。如圖所示。2、之后調(diào)節(jié)示波器設(shè)置使 CH1 和 CH2 通道信號(hào)的上升沿顯示在屏幕中間，通過通道延遲調(diào)節(jié)，消除示波器兩個(gè)通道的時(shí)間延遲，讓兩通道的信號(hào)重合。3、完成通道延遲校正后，將 RP1100D 連接開關(guān)電源 AC 供電的火線和零線，探頭衰減與示波器 CH1 探頭比均設(shè)為 X200；RP1001C 鉗在火線上，衰減設(shè)為 100mV/A，示波器 CH2 探頭比設(shè)為 X10。
通道延遲校正連接圖
通道延遲校正
負(fù)載設(shè)置及測(cè)試
1、按下 DL3031A 的 CC 恒流按鍵，調(diào)整 CC 電流使恒壓輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CC 功能。對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)等恒流輸出電源按下 DL3031A 的 CV 恒壓按鍵，調(diào)整 CV 電壓使恒流輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CV 功能。2、記錄 DL3031A 屏幕上顯示的功率值，為開關(guān)電源的輸出功率 Pout。
電子負(fù)載設(shè)置
執(zhí)行電源質(zhì)量測(cè)量 1、按下示波器屏幕左下角的多功能按鍵，在彈出的菜單中選擇電源分析，分析類型選擇電源質(zhì)量，在源中設(shè)置 CH1 為電壓通道，CH2 為電流通道。并打開顯示功能。此時(shí)在示波器的屏幕上會(huì)顯示電源質(zhì)量測(cè)試結(jié)果。2、記錄 Real Power（有功功率）為開關(guān)電源的輸入功率 Pin。3、根據(jù) Pout/Pin，計(jì)算得到此開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。
電源質(zhì)量測(cè)試結(jié)果
執(zhí)行電流諧波測(cè)量
1、將示波器通過 USB 線纜與 PC 連接；
2、打開 PC UPA 軟件，并配置電流諧波測(cè)試配置；3、點(diǎn)擊軟件執(zhí)行測(cè)試，在軟件上會(huì)直接顯示諧波的通過情況。
電源諧波測(cè)試界面
電源紋波測(cè)試
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電源紋波測(cè)試連接示意圖
測(cè)試準(zhǔn)備如下：1、將開關(guān)電源的輸出端與電子負(fù)載輸入端連接；2、PVP2350 高阻無(wú)源探頭連接 MS08104 示波器的 CH1；
電源紋波測(cè)試
操作步驟
示波器要選擇 20MHz 的帶寬限制；
為避免由探針與地線形成的類天線環(huán)路耦合進(jìn)電路中的噪聲，使用探頭自帶的接地彈簧來接地；
將探頭的衰減與示波器 CH1 的探頭比都設(shè)為 X1，減小示波器的噪聲干擾；
示波器的通道耦合方式選擇交流，可以將直流電壓隔離，方便信號(hào)觀測(cè)；
分析類型選擇紋波，打開 CH1 的峰峰值測(cè)量，可得到測(cè)量的紋波電壓峰峰值。
戳視頻，快速了解如何測(cè)試電源紋波
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操作要點(diǎn)
探頭的選擇?
對(duì)于電源質(zhì)量測(cè)試的電壓探頭，需要選擇高壓差分探頭。不可以使用單端探頭進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)?AC 電源的零線與負(fù)載及火線構(gòu)成電流回路，而示波器探頭地線與電源地線連接，如使用單端探頭連接市電，相當(dāng)于將零線與大地短路，這樣會(huì)增大共模干擾，而且可能會(huì)造成短路導(dǎo)致器件燒損。電流探頭需要進(jìn)行消磁和調(diào)零，避免初始數(shù)值誤差對(duì)實(shí)際電流測(cè)量結(jié)果造成的影響。
相位校正?
在進(jìn)行電源的電壓與電流測(cè)試前，一定要進(jìn)行通道相位校正。因?yàn)橐坏╇妷簻y(cè)試通道與電流測(cè)試通道本身存在相位差，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際相角的測(cè)試錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致有功功率、無(wú)功功率及 PF 功率因數(shù)的測(cè)量錯(cuò)誤。因?yàn)槌跏纪ǖ赖南辔徽`差會(huì)帶入到最終電壓與電流的相位角φ測(cè)試結(jié)果中，而有功功率與功率因數(shù)的測(cè)量計(jì)算結(jié)果都是跟相位角φ相關(guān)，所以也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差。
視在功率與有功功率的關(guān)系
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總結(jié)
本文介紹了開關(guān)電源質(zhì)量、功率效率及紋波的影響及測(cè)試?；谑静ㄆ髋c直流電子負(fù)載，即可快速完成需要使用功率分析儀及復(fù)雜的軟件操作才能進(jìn)行的電源產(chǎn)品的質(zhì)量測(cè)試。可以大大節(jié)省測(cè)試的成本。
對(duì)于完成電源質(zhì)量與效率、紋波的測(cè)試所需的設(shè)備推薦如下
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