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利用示波器有效輔助開關(guān)電源設(shè)計(jì)
2015-09-18
Q1：開關(guān)電源輸出電壓的紋波是一個(gè)重要的指標(biāo)，如何正確使用示波器來測(cè)量這個(gè)指標(biāo)？
A1：紋波的定義是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)，英文稱為 PARD (Periodic And Random Deviation）。它的定義是雜波的峰峰值。測(cè)量紋波要注意的事項(xiàng)：
示波器探頭地線會(huì)帶來很大紋波，應(yīng)該拔掉地線直接使用探頭內(nèi)地線進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)然，最好的測(cè)量方法是使用50歐姆終端電阻，用BNC電纜直接聯(lián)結(jié)到示波器，這里應(yīng)該注意該50歐姆電阻要考慮功耗，可能要大功率電阻。
相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，比如是否要分出周期性工頻紋波和開關(guān)紋波，高頻噪聲等。再比如，測(cè)量頻率是否要限制在20MHz以下。
Q2：開關(guān)電源總會(huì)有電磁輻射，同時(shí)越有可能受到其他電器設(shè)備的干擾。怎樣做才能達(dá)到期即不受其他電器的干擾，又有效地方志器向外輻射呢？
A2：開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當(dāng)復(fù)雜的。從整機(jī)的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產(chǎn)生的三個(gè)要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。共阻抗耦合主要是干擾源與受干擾體在電氣上存在共同阻抗，通過該阻抗使干擾信號(hào)進(jìn)入受干擾對(duì)象。線間耦合主要是產(chǎn)生干擾電壓及干擾電流的導(dǎo)線或PCB線，因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場(chǎng)耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)受干擾體產(chǎn)生的耦合。磁場(chǎng)耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)對(duì)干擾對(duì)象產(chǎn)生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對(duì)相應(yīng)的受干擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能嚴(yán)格區(qū)分的，只是側(cè)重點(diǎn)不同而已。
從電磁兼容性的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性，可從三個(gè)方面入手。1）減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)；2）切斷干擾信號(hào)的傳播途徑；3）增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性時(shí)，可以綜合運(yùn)用上述三個(gè)方法，
以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的對(duì)外干擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)干擾、電磁場(chǎng)輻射干擾等，只能用減小干擾源的方法來解決。一方面，可以增強(qiáng)輸入輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善有源功率因數(shù)校正（APFC）電路的性能，減少開關(guān)管及整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降取Ａ硪环矫妫訌?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對(duì)外部的抗干擾能力，如浪涌、雷擊應(yīng)優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對(duì)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，可采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(guān)電源的內(nèi)部干擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：
注意數(shù)字電路與模擬電路PCB布線的正確區(qū)分、數(shù)字電路與模擬電路電源的正確去耦；
注意數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻干擾、減小地環(huán)的影響；
布線時(shí)注意相鄰線間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_；減小地線阻抗；減小高壓大電流線路特別是變壓器原邊與開關(guān)管、電源濾波電容電路所包圍的面積；
減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積；減小變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容；采用諧振頻率高的濾波電容器等。
Q3：開關(guān)電源在低溫下啟動(dòng)（如：－20℃以下）有什么特殊的要求嗎？
A3：關(guān)鍵是器件選擇的溫度范圍。比如電容、MOSFET、二極管等等。
Q4：如何精確的去測(cè)試開關(guān)電源的紋波與噪音？在測(cè)試Ripple & noise時(shí)是不是要在專門的實(shí)驗(yàn)室才可以,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的其它設(shè)備對(duì)它的影響都比較大在TDS430中應(yīng)如何去設(shè)定呢？
A4：當(dāng)然如果您有專門的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行紋波測(cè)量是最理想的。在不具備這個(gè)條件的時(shí)候應(yīng)當(dāng)注意的問題有：
示波器應(yīng)該有良好的接地。
如果您的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)有帶寬限制的要求，應(yīng)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，并用TDS430A的50歐姆輸入阻抗檔進(jìn)行測(cè)量（這時(shí)您可能需要50歐姆的大功率負(fù)載，BNC適配器或者制作測(cè)試夾具）
為提高測(cè)量精度，不應(yīng)該使用示波器的探頭，示波器探頭的地線會(huì)引入比較大的噪聲。
Q5：在AC/DC開關(guān)電源中能否用示波器進(jìn)行功率因數(shù)測(cè)量？如何進(jìn)行測(cè)量？
A5：其實(shí)使用示波器測(cè)量功率因數(shù)就是測(cè)量電壓與電流之間的相位差即cosφ，同時(shí)泰克TDS5000功率測(cè)試系統(tǒng)也自動(dòng)對(duì)PFC的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(guān)電源的輻射的頻率及幅度，但是這里面的幅度的值與認(rèn)證中心的值的概念是一樣嗎？假如不是，怎樣轉(zhuǎn)換？而且我還發(fā)現(xiàn)，假如在看波形時(shí)選不同的V/DIV，在FFT狀態(tài)下有不同的幅度？正常嗎？---我用的型號(hào)是TDS1012。
A6：使用示波器的FFT功能測(cè)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(jià)值，若希望對(duì)頻譜幅度進(jìn)行分析可選擇Blackman-Harris窗口,這樣效果會(huì)好一些；當(dāng)轉(zhuǎn)換V/div時(shí)一定會(huì)對(duì)FFT的幅值產(chǎn)生影響，因?yàn)檫@是受到示波器本身的ADC的分辨率限制，所以我們?yōu)榱讼Ｍ岣邷y(cè)量精度，一般會(huì)選擇將波形盡可能占滿整個(gè)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(shè)計(jì)軟開關(guān)PWM變換器時(shí)（如PWM半橋開關(guān)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(shí)延校正功能，這樣進(jìn)行相關(guān)數(shù)??算時(shí)才能保證基本的準(zhǔn)確性。你使用高壓差分電壓探頭及電流探頭測(cè)量。TEK推出的功率測(cè)試方案中就可以動(dòng)態(tài)的觀察MOSFET的整個(gè)工作過程，你可以參看以下網(wǎng)址: http://www.kingcable.com.cn/kingcableweb/tektronix/glcl/intro.htm
Q8：請(qǐng)問輸出電容和輸出電感的選擇應(yīng)該根據(jù)負(fù)載的供電需求確定，那對(duì)于L和C值都應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了問題，那么我們應(yīng)該根據(jù)什么來更換呢？
A8：不同拓樸的輸出扼流圈及輸出濾波電容的計(jì)算公式是不同的，你應(yīng)該按你所選的電路結(jié)構(gòu)選擇合適的計(jì)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(jì)算出ESR，然后可按廠家提供的DATASHEET選擇。但選電容時(shí)還要考慮負(fù)載的變化，電流變化范圍，輸出電感感量等等都會(huì)使電容特性改變。
Q9：在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到的棘手問題是效率問題。而整機(jī)的效率很大程度上取決與開關(guān)管的損耗，在我們的電路和器件選定后，開關(guān)管的開關(guān)波形測(cè)量很重要，可以根據(jù)它的數(shù)據(jù)來判斷和改善開關(guān)工作狀態(tài)。那么在利用示波器進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試時(shí)應(yīng)該如何正確操作和注意那些問題呢？
A9：開關(guān)電源中有兩大主題：提高效率和提高可靠性。效率就要測(cè)損耗，損耗主要集中在開關(guān)管和磁性元件上。為此我們應(yīng)該通過示波器測(cè)量開通損耗、截止損耗、導(dǎo)通損耗，同樣的對(duì)變壓器和電感能測(cè)量其磁芯損耗、動(dòng)態(tài)電感。TEK的TDSPWR2能做到這些工作，你可以參看下面的網(wǎng)址：http://www.kingcable.com.cn/kingcableweb/tektronix/glcl/intro.htm
Q10：在實(shí)際工作中，當(dāng)碰到突發(fā)的毛刺信號(hào)，請(qǐng)問如何捕捉和測(cè)試？
A10：比如我們?cè)谶M(jìn)行時(shí)鐘測(cè)試時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到偶發(fā)毛刺信號(hào)，該信號(hào)將會(huì)對(duì)我們的電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，因此捕獲該信號(hào)成為測(cè)試的關(guān)鍵，由于事先我們無法判斷該毛刺為正還是為負(fù)，因此我們須先利用TDS5000示波器的數(shù)字熒光功能即快速波形捕獲模式結(jié)合無限余輝查看毛刺特�，然后利用示波器的高級(jí)觸發(fā)功能——脈寬觸發(fā)依照信號(hào)特征，如：小于正常時(shí)鐘脈沖寬度觸發(fā)。
Q11：反激式開關(guān)電源有沒有一種比較通用的變壓器參數(shù)計(jì)算方法。在反激式開關(guān)電源電源用一種變壓器算法，總是需要再進(jìn)行好多次的調(diào)整。
A11：變壓器的設(shè)計(jì)雖然通過理論計(jì)算，但因?yàn)榇判荆@制方法等的差異性，仍需要多次試驗(yàn)調(diào)整。一般是先計(jì)算原邊電感,跟拒輸出功率來選磁芯材料與骨架尺寸，然后跟拒手冊(cè)確定一些如磁芯截面積等參數(shù)等單端設(shè)計(jì)變壓器就是要讓磁芯的磁通復(fù)位。
Q12：功率因數(shù)是如何測(cè)量的？某個(gè)模塊的轉(zhuǎn)換效率是如何測(cè)量的？
A12：功率因數(shù)：在直流電路里，電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路里，電壓乘電流是視在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數(shù)，以COSΦ表示，其實(shí)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式就是測(cè)量電壓與電流之間的相位差，得出的結(jié)果就是功率因數(shù)。你所說的這些問題的測(cè)量,TEK的功率測(cè)試系統(tǒng)都可以輕松的完成自動(dòng)測(cè)量。
Q13：在高頻端，如何判斷示波器探頭本身的阻抗對(duì)信號(hào)的影響？
A13：示波器的探頭都有特定的指標(biāo)，您可以參照探頭的等效阻抗－頻率圖確定探頭在您的頻率點(diǎn)的等效阻抗。
Q14：請(qǐng)問有無辦法利用示波器測(cè)出高頻變壓器或電感磁芯的工作情況？例如磁芯的工作磁通密度Bw？
A14：TEK推出的功率測(cè)試方案里就有一項(xiàng)功能,B-H曲線的分析,它能反應(yīng)磁芯的工作狀態(tài),它還能測(cè)出動(dòng)態(tài)電感值，并得出磁芯損耗。
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