開(kāi)關(guān)電源的最大效率驗證和檢定

為保證在可接受的折衷方案下達到最佳效率，驗證和檢定開(kāi)關(guān)電源（SMPS）的設計是十分重要的?？赏ㄟ^(guò)下列方式完成：測定開(kāi)關(guān)功率損耗和磁功率損耗來(lái)確定電源效率；測定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線(xiàn)路上的開(kāi)關(guān)電源的作用。

　　電力系統的最大能量損耗通常發(fā)生在A(yíng)C/DC和DC/DC電源的功率轉換期間?；旧厦總€(gè)設計都會(huì )優(yōu)先考慮節能，因此轉換功率在80%到90%之間的開(kāi)關(guān)電源成為主流。理想狀態(tài)下，所有電源都按照數學(xué)模型工作。然而，在現實(shí)世界中卻存在著(zhù)各種問(wèn)題，例如：部件存在缺陷、負載變化不定、線(xiàn)路功率失真和環(huán)境頻繁變化。為保證在可接受的折衷方案下取得最佳效率，關(guān)鍵是要驗證和檢定開(kāi)關(guān)電源的設計。要完成這些任務(wù)，通常需要測定開(kāi)關(guān)功率損耗和磁功率損耗來(lái)確定開(kāi)關(guān)電源的效率，還要測定電源質(zhì)量和諧波掌握電源線(xiàn)路上的開(kāi)關(guān)電源的作用。

　　測量開(kāi)關(guān)損耗

　　開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)晶體管切換速度快，最大程度地減少了能量損耗。對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)晶體管在開(kāi)或關(guān)狀態(tài)下少量散熱時(shí)損耗的能量最多。在切換期間發(fā)生能量損耗，這是因為儲存在二極管的電能以及儲存在寄生電感和寄生電容的電能被釋放出來(lái)。“關(guān)斷損耗”是指設備從開(kāi)到關(guān)過(guò)程中的損耗。“關(guān)斷損耗”同樣也指開(kāi)關(guān)設備從關(guān)到開(kāi)過(guò)程中的能量損耗。下面是計算切換過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗的公式：

　　式中：ETRANSITION指開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗；vA(t)指開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)電壓；iA(t)指開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)電流；t1指切換完成的時(shí)間；t0指切換開(kāi)始的時(shí)間。

　　整個(gè)開(kāi)關(guān)周期發(fā)生的總能量損耗由接通開(kāi)關(guān)損耗、關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗構成。下面是總損耗的計算公式：ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中：ELOSS指開(kāi)關(guān)周期內晶體管的能量損耗；ETURN-ON和ETURN-OFF均為開(kāi)關(guān)損耗；EON指導電損耗。

　　分析上述損耗對檢定電源、估計其效率是必要的，可采用示波器測開(kāi)關(guān)損耗（圖1）。使用帶有專(zhuān)業(yè)功率分析軟件的示波器，可測出多開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗，從而確定設備在不同時(shí)間的特性。從測量統計數據中，可觀(guān)察到測量結果的變化情況。要準確的測出接通損耗和關(guān)斷損耗是一項挑戰，因為損耗只在短時(shí)間內發(fā)生，在開(kāi)關(guān)周期剩下的時(shí)間里是極少出現的。測定上述損耗需要對電壓波形和電流波形進(jìn)行精確的計時(shí)，而且測量系統的偏差要達到最小。

圖1 帶有專(zhuān)業(yè)功率分析軟件的示波器

　　圖1 帶有專(zhuān)業(yè)功率分析軟件的示波器可顯示多開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗，從而確定設備在不同時(shí)間的特性 圖2 可用帶有功率分析軟件的示波器功率損耗測單繞組電感器的功率損耗。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍色軌跡）是用非插入式電流探針測得的通過(guò)電感器的電流。功率測量軟件自動(dòng)計算功率損耗，并以圖的形式顯示出來(lái)（278.1 mW）

　　測量磁功率損耗

　　電感器和互感器通常功率損耗都比較小，常被開(kāi)關(guān)電源用來(lái)濾波和改變電壓電平。電感器的阻抗隨頻率的升高而增大，阻止的高頻率比低頻率多。這種特性對電源輸入輸出的濾波有利。

　　互感器將初級繞組的交流電壓和交流電流耦合到次級繞組，使電壓或電流（其中一種）的信號電平增大或減小?；ジ衅鞒跫壙山邮?20V的電壓，通過(guò)按比例增大次級的電流，使次級的電壓降到12V?；ジ衅鞯某跫壓痛渭壊捎玫牟皇请姎膺B接，在電路元件之間還是需要隔離。

　　磁功率損耗影響電源的效率、可靠性和熱性能。與磁性元件相關(guān)的功率損耗有兩種：鐵芯的鐵耗和銅繞組的銅耗。磁損耗等于鐵耗和銅耗之和。其中，鐵耗由磁滯損耗和渦流損耗組成，銅耗則是銅繞組線(xiàn)的電阻引起的。

　　從磁芯賣(mài)方提供的數據表和帶功率測量軟件的示波器得出的結果可推導出總功率損耗和磁芯損耗。然后，通過(guò)這兩個(gè)值計算出銅耗。知道功率損耗元件后，可弄清出磁性元件產(chǎn)生功率損耗的原因。

　　磁性元件總功率損耗的計算方法部分取決于被測元件的類(lèi)型。被測設備可為單繞組電感器、多繞組電感器或互感器。圖2所示為單繞組電感器的測量結果。通道1（$軌跡）是電感器上的電壓，通道2（藍色軌跡）是用非插入式電流探針測得的通過(guò)電感器的電流。功率測量軟件自動(dòng)計算功率損耗，并以圖的形式顯示出來(lái)（278.1 mW）。

圖2 單繞組電感器的測量結果

　　為達到最佳性能，設計者一般利用從廠(chǎng)商處獲得的磁滯曲線(xiàn)來(lái)指定磁性元件。在特性曲線(xiàn)中規定了磁性元件磁芯材料的性能范圍。為保證運行過(guò)程中工作電壓和工作電流保持在磁滯曲線(xiàn)的線(xiàn)性區域內，有必要對開(kāi)關(guān)電源內的磁性元件進(jìn)行檢定。采用專(zhuān)用功率測量軟件，可以大大的簡(jiǎn)化用示波器測定磁性的步驟。很多時(shí)候，只需測出電壓和勵磁電流，然后由軟件來(lái)完成磁性測量的計算。磁性測量可在單繞組電感器上進(jìn)行，也可在配有初級電流源和次級電流源的互感器上進(jìn)行。

　　圖3 本圖所示為互感器的磁滯曲線(xiàn)圖，通道1（$軌跡）是互感器電壓，通道2（藍色軌跡）是初級電流，通道3（金色軌跡）是次級電流。軟件根據來(lái)自通道2和通道3的數據來(lái)確定勵磁電流

圖3 互感器的磁滯曲線(xiàn)圖

圖4 在沒(méi)有兩根探針偏斜校正的情況下測出的結果（5.141W）