使用數字熒光示波器調試功率因數校正電路

一、快捷簡(jiǎn)易地分析帶有有源功率因數校正電路的開(kāi)關(guān)電源中的波形

為了獲得高功率因數，大多數開(kāi)關(guān)電源設計都采用了有源功率因數校正電路。雖然這一設計可極大提高效率，但也給數字示波器的波形分析帶來(lái)了許多麻煩。而現在，則可通過(guò)裝有TDSPWR2功率測量和分析軟件的TDS5000系列、TDS7054或TDS7104數字熒光示波器(DPO）大大加快設計和調試工作。

功率因數(PF)在技術(shù)方面是指實(shí)損耗的功率與視在功率之比，以0～1之間的小數表示。人們很早就知道，PF是正弦電壓和電流波形之間的相位差。當AC 負載有電容或電感時(shí)，電流波形與電壓不同相，而產(chǎn)生不被負載損耗的附加AC電流。這種附加電流可在電力電纜中產(chǎn)生12R的損耗。

當把開(kāi)關(guān)電源視為AC負載時(shí)，它是非線(xiàn)性的，既非純電感，也非純電容。開(kāi)關(guān)電源以與線(xiàn)路電壓相同的脈沖輸送電流。VRMS和IRMS的乘積些時(shí)大大高于實(shí)際損耗的功率，因此PF小于1。圖1所示為典型的線(xiàn)路電壓和線(xiàn)路電流波形。

每一位設計師都希望功率因數為1，從而最大限度的提高效率。為達此目的，設計師需要采用無(wú)源功率因數校正，或有源功率因數校正。大多數設計采用的是有源功率因數校正電路。

二、以DPO偵錯功率因數校正電路

在設計帶有有源功率因數校正電路的開(kāi)關(guān)時(shí)電源時(shí)，用數字示波器分析波形的作業(yè)始終非常麻煩。在這些電路中，典型作法是在輸入整流電橋的后面的一級升壓變換電路。需要注意的是，此時(shí)開(kāi)關(guān)電路的工作頻率遠高于線(xiàn)頻率。這就需要有一個(gè)可變升壓比，以在輸入電壓變化時(shí)保持輸出電壓的恒定。因此，開(kāi)關(guān)電路的占空比須隨輸入電壓的變化而變化。當輸入電壓低時(shí)，占空比高。反之，當線(xiàn)路電壓高時(shí)，占空比低。為了分析這一行為，設計師需根椐電源線(xiàn)路每半個(gè)周期內的脈沖變化，詳細檢視升壓變換器的每一個(gè)脈沖。如果設計師想了解負載和/或線(xiàn)路電壓變化時(shí)的MOSFET和二極管上的電壓承受力，這種分析則更為重要。

有源功率因數校正可穩定整流器前端的電流。開(kāi)關(guān)變換器則可調節開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的脈沖寬度或工作周期，使之符合線(xiàn)路電流和線(xiàn)路電壓的波形?？刂菩畔⑶度朐陔娋w時(shí)序的變量之中。

以前，設計人員是使用模擬示波器分析和調試50/60Hz的線(xiàn)路信號以及幾百千赫的快速開(kāi)關(guān)信號。在確定總體脈沖寬度調制(PWM)信號行為時(shí)，設計人員要逐位元地編譯這一信息。

后來(lái)，設計人員開(kāi)始轉用具有所需性能的數字儲存示波器，擷取低頻信號以及快速的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)信號。這些信號有如下要求：

(1) 高取樣速率，即能夠在開(kāi)關(guān)裝置的時(shí)序信號上擷取嵌入信息的取樣速率

(2) 深度記錄長(cháng)度，即能使設計人員觀(guān)察到低頻干線(xiàn)信號和開(kāi)關(guān)信號的記錄長(cháng)度

但即使有了這些信息，設計人員仍需付出很多精力和時(shí)間，才能獲得開(kāi)關(guān)信號中的脈沖或工作周期變量。因為這些信息均需人工計算。此外，使用者不能在一般的數字存儲示波器中自動(dòng)量測功率因數。

TDSPWR2功率量測分析應用軟件可使這些任務(wù)簡(jiǎn)單易行，它可提供：
　　(1) 電力品質(zhì)量測功能
　　(2) 調制分析能力

設計人員可通過(guò)TDSPWR2中的電力品質(zhì)量測功能，即時(shí)進(jìn)行重要的電力品質(zhì)量測。如果另尋其他方法，則只能依靠專(zhuān)用的功率分析儀。

功率因數值一旦確定，便可輕而易舉地通過(guò)TDSPWR2的調制分析能力進(jìn)步調試PWM信號。

TDSPWR2可用下列方法分析PWM信號：
　　(1) 脈沖寬度時(shí)域波形
　　(2) 占空比時(shí)域波形
　　(3) 周期時(shí)域波形
　　(4) 頻率時(shí)域波形

通過(guò)TDSPWR2的這種調制分析功能和TDS5000/7000系列示波器的每秒5GS高取樣速率，以及深度記錄長(cháng)度，設計人員便能夠以高水平解析度，輕松地擷取線(xiàn)信號的兩至三個(gè)周期和快速瞬態(tài)開(kāi)關(guān)信號。TDSPWR2可自動(dòng)計算脈沖寬度變量與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

此外，用戶(hù)可以根據線(xiàn)路電壓、電流信號以及脈沖寬度的時(shí)域波形來(lái)可檢視PWM信號脈沖寬度變量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，以及線(xiàn)路電壓和線(xiàn)路電流。這就提供了 PWM信號行為的一幅全景圖，而在負載和線(xiàn)路電壓變化之際，這正是保持所需的PF 所必不可少的信息。該應用軟件可即時(shí)擷取PWM信號中的任何不合乎要求的瞬態(tài)。

三、結論

TDSPWR2軟件的電力品質(zhì)測量和調制分析能力，顯著(zhù)地縮短了設計和調試任務(wù)的周期。與TDS5000和TDS7000系列示波器的取樣速率和存儲深度結合使用時(shí)，該應用軟件可使設計人員以最大的效率，輕松地調試帶有有源功率校正電路的開(kāi)關(guān)電源，得到接近1的功率因數指標。