开关电源测量分析解决方案

前言

开关电源供应器（Switching Mode Power Supply）主要用途乃是将电力公司所提供的高压、低稳定性的交流电源，转换成适合各种电子产品使用的低压、稳定性较佳的直流电源

今日开关电源的应用已广泛地使用在各个领域。而固纬GDS-3000示波器，搭配电源分析软件包含了完整的电源质量分析，谐波分析测试，纹波测试和涌入电流测试，可取代传统使用示波器外加功率计的效能，为您在提供完整的工具的前提下，减少您所需投入的成本，让您专注于电源的性能和使用效率以及先进的电子和通信日常电子产品系统。

开关电源供应器（Switching Mode Power Supply）依其功能上的差异，又可分为AC/DC（交流转直流电源供应器）、DC/DC（直流转直流电源供应器）两种产品。SMPS可广泛应用在计算机、办公室自动化设备、工业控制设备、通讯设备等。以目前的应用及趋势，朝向体积小、重量轻、转换效率高的切换式电源供应器将会是应用的主流。这份文件将以介绍示波器的电源分析功能及相关应用。

在切换式电源供应器上包含了被动、主动和磁性组件，如图1示。稳压电路的调整则利用场效式晶体管（MOSFET）或是IGBT等低损耗的电子半导体切换组件来取代一般的电阻，其主要目的在提供快速的切换，在顺向偏压导通（ON）时提供趋近为零的阻抗，在断开（OPEN）时则可提供非常高的阻抗而形成开路的状态，在高速的切换过程中，调整不同导通和断开所周期时间比率（Duty Cycle）来稳定输出的电压及大小。电压的输出及时间的关系如图2所示。

图1: SMPS电路示意图

图2: SMPS开关与电压输出关系

一般而言，在输出端负载所看到的平均电压为:

V_O（avg） = （t_on/T） x V_i

导通时间t_on越短，输出电压相对变小，一般切换的频率高达20MH以上，切换装置的控制是透过控制器输出脉宽（PWM）调制讯号驱动MOSFET闸极，控制断开及导通，用以稳定输出电压。越高的切换频率则可减低输出电压的纹波，确保功率的稳定输出

固纬GDS-3000示波器功率测试介绍

    GDS-3000可选配电源分析软件，其功能包含电源质量（Power Quality）、谐波（Harmonics） 、纹波（Ripple）与涌入电流（In-rush current）。只要选配此电源分析软件，便可以让使用者省下购买相对昂贵的功率计（Power Meter）的费用，让使用者可以从示波器便轻易地取得电源测试的相关数据。

其功能介绍如下：

电源质量（Power Quality）

设计一个开关电源，需要评估开关电源一次测的质量。实际供电电压和电流波形不是理想的正弦波，而是包括失真及其它异常的现象。这种异常影响功率消耗，效率和可靠性。因此衡量电源质量是非常重要的。

GDS-3000电源分析软件除了计算基础的参数，如视在功率（Apparent Power），有效功率（True Power），虚功率（Reactive Power）与功率因子（Power Factor）外（图3），亦包含其它丰富的参数可供使用者用来判别电源质量的优劣（图4）

图3: 功率三角示意图

图4: GDS-3000 电源质量测试图解

若负载是非线性负载，例如整流性负载，电流波形就会失真。若电压频率是50Hz，将失真的电流经傅立叶转换分析后，可将其电流组成分解为除了基频（50Hz）外，倍频（100Hz, 150Hz,…）成份的组合。其倍频的成份就称为谐波。由于近年来整流性负载的大量使用，造成大量的谐波电流的出现, 也间接污染了市电。所以会有IEC61000-3-2这个法规的实施。来确保市电电压的纯正。

GDS-3000谐波测试包含了业界的标准IEC61000-3-2（图5），并可选择Class A/B/C/D以符合各种不同应用的需求（见表1与表2）。例如: Class A可测试三相电源设备、家电用品、调光器、音频设备等；Class B可评断携带式设备、非工业的电弧焊（arc welder）；Class C可评断照明设备及Class D可评断电视接收器、个人计算机、及计算机屏幕相关功率与小于600W功率的装置。因此使用GDS-3000的谐波测试功能，除可依使用者需求得到各阶的谐波失真外，也可立即得到业界标准IEC61000-3-2的测试结果。相关的应用选择如下表所示

图5: GDS-3000谐波测试显示

纹波（Ripple）与噪声（Noise）

• 纹波（Ripple）：

开关电源输出的整体噪声可以被视为是具有纹波和噪声的组合（图6）。纹波是开关电源的充放电所造成的电压波动事件。这种噪声具有低的峰值/均值比。发生在基础的开关频率，通常被称为噪声的RMS值。纹波波形代表输入和输出电容的充放电效应，增加输入和/或输出电容值可以降低纹波的影响。

• 噪声（Noise）：
• （noise spike）发生在电源的开启和关闭时。虽然噪声的重复频率是由开关电源的开关频率来决定，噪声尖峰的频率普遍高于开关式电源的开关频率。噪声振幅会依开关电源拓扑结构，电路寄生效应和PCB布局来变化。当噪声发生在一个较高的频率时，噪声尖峰极易受探棒或实验室设置的影响。

相较于其它示波器的电源量测功能仅能量测Ripple，GDS-3000透过自行研发技术，还能量测电源的Noise，让使用者更能完整的预测电源的实际状况，做出更的评估（见图8）。其量测示意图可参考图7。

涌入电流（In-rush current）

涌入电流或浪涌电流（Surge Current）可视为: 当开关电源*次启动时流入电子装置瞬间zui大的输入电流。如此高的初始电流为偏压加入时，使电容造成瞬间短路的结果。设计人员须注意此一重要参数，就是当切换器启动时，若控制失当的话，大量的涌入电流将会涌现，并在切换器上产生压降，此时将对整个系统产生致命的冲击。

此瞬间涌入的电流量测，目的在确认电源供应器的输入电容的充电电流不会超过zui大额订电流或超过输入端的组件可承受的zui大电流。GDS-3000的电源分析软件，透过一阶涌入电流（First Peak）的计算，可让设计者可以轻松地选择保险丝规格，省去手动计算的耗时与错误。而除了一阶涌入电流的计算外，固纬的第二阶涌入电流（Second Peak）观测，让使用者更可清晰地观测待测物开机时瞬间的变化（见图10）。其量测示意图如图9所示。

图10: GDS-3000涌入电流测试显

结语

今日开关电源的应用已广泛地使用在各个领域。而固纬GDS-3000示波器，搭配电源分析软件包含了完整的电源质量分析，谐波分析测试，纹波测试和涌入电流测试，可取代传统使用示波器外加功率计的效能，为您在提供完整的工具的前提下，减少您所需投入的成本。

GDS-3000系列可选配差动探棒或是电流探棒来进行电源分析测试，包含3个25MHz/1400Vp-p*200衰减，50MHz/7000Vp-p*1000衰减以及100MHz/7000Vp-p*1000衰减的差动探棒，和2个全新的50MHz/30A与100MHz/30A电流探棒。完整的功率测试效能，让GDS-3000提供了整体解决方案以符合各式电源测试应用的需求。