Tektronix電源測量和分析入門手冊（二）

來源：中翔儀器更新時間：2024-07-13 閱讀：

無源元件測量：磁性元件

無源元件是指不放大信號或開關(guān)信號的元件。電源采用全系列無源元件，如電阻器和電容器，但從測量角度看，主要重點要放在磁性元件 ( 磁性器件 ) 上，特別是電感器和變壓器。電感器和變壓器都由外面纏著幾圈銅線的鐵芯組成。

電感器的阻抗會隨著頻率提高而提高，對較高頻率的阻擋作用要高于較低頻率，因此適合濾波電源輸入和輸出上的電流。

變壓器把初級線圈的電壓和電流耦合到次級線圈上，提高或降低信號電平 ( 電壓或電流，但不能同時是兩者 )。因此，變壓器可以在初級線圈上接受 120.V 的電壓，然后在次級線圈上逐步下降到 12.V，同時次級線圈上的電流會成比例提高。注意這不視為放大，因為信號凈功率不會提高。由于變壓器初級線圈和次級線圈并沒有在電氣上相連，因此它們也用來實現(xiàn)電路單元之間的隔離。

有助于確定電源性能的部分指標(biāo)包括：

■ 電感

■ 功率損耗 ( 磁性元件 )

■ 磁性屬性

電感基礎(chǔ)知識

電源使用電感器作為能量貯存設(shè)備、濾波器或變壓器。作為變壓器時，電感器可以幫助保持開關(guān)式電源中的振蕩。設(shè)計人員需要監(jiān)測這種設(shè)備在工作條件下的行為。電感值取決于電流和電壓來源、激發(fā)信號、波形和工作頻率。電感使用下面的公式確定：

其中：

■ L 是電感 ( 單位為亨利 )。

■ V 是流經(jīng)電感器的電壓。

■ I 是流經(jīng)電感器的電流。

■ dt 是信號中的變化速率或轉(zhuǎn)換速率。

可以使用幾種不同的解決方案測量電感。例如，LCR儀表使用內(nèi)置信號發(fā)生器激勵被測電感器，然后使用電橋平衡技術(shù)，測量設(shè)備阻抗。LCR 儀表使用正弦波作為信號源。

但在實際環(huán)境的電源中，信號是高電壓高電流方波，因此，大多數(shù)電源設(shè)計人員首選在電源動態(tài)變化的環(huán)境下監(jiān)測電感器行為，以獲得更準(zhǔn)確的信息。

使用示波器測量電感

測量實際電源中電感器最常用的工具是示波器。電感測量本身非常簡單，只是探測流經(jīng)磁性元件的電壓和電流，在很大程度上與前面介紹的開關(guān)設(shè)備測量類似。

圖14 DPOPWR 應(yīng)用軟件的電感測量結(jié)果。

圖 14 是電感測量結(jié)果。這里，軟件計算的電感為58.97 微亨。

磁性功率損耗基礎(chǔ)知識

磁性功率損耗影響著電源的效率、可靠性和熱性能。有兩種功率損耗與磁性單元有關(guān)：磁芯損耗和銅線損耗。磁芯損耗

磁芯損耗由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成。磁滯損耗與DC 通量頻率和 AC 通量擺幅有關(guān)，而在很大程度上與 DC 通量無關(guān)。每單位容量磁滯損耗用下面的公式表示：

其中：

■ P Hyst .是每單位容量的磁滯損耗。

■ H 是場強(qiáng)

■ B 是通量密度。

圖15 各種開關(guān)頻率下的磁芯損耗與通量密度曲線。

可以使用磁芯制造商的產(chǎn)品技術(shù)資料計算磁芯損耗，如圖 15 所示。這里，制造商指定了一三象限工作時正弦激勵的損耗。制造商還指定了經(jīng)驗關(guān)系，來計算不同 AC 通量密度和頻率下的磁芯損耗。

銅線損耗

銅線損耗源于銅繞組線的電阻。計算銅線損耗的公式如下：

其中：

■ P_cu是銅線損耗。

■ I²_rms是流經(jīng)磁性元件的 rms 電流。

■ R_wdg是線圈電阻，這個電阻取決于 DC 電阻、趨膚

效應(yīng)和接近效應(yīng)。

使用示波器測量磁性功率損耗

可以使用磁芯廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料及運(yùn)行電源測量軟件的示波器測量結(jié)果，迅速得出總功率損耗和磁芯損耗?？梢允褂眠@兩個值，計算銅線損耗。在知道了不同的功率損耗成分后，可以確定磁性元件上的功率損耗成因。

磁性元件功率損耗計算方法在一定程度上取決于被測的元件類型。被測設(shè)備可以是單線圈電感器，也可以是多線圈電感器，還可以是變壓器。圖 16 顯示了單線圈電感器的測量結(jié)果。

通道 1.( 黃色軌跡 ) 是流經(jīng)電感器的電壓，通道 2.( 藍(lán)色軌跡 ) 是使用非插入型電流探頭測得的流經(jīng)電感器的電流。電源測量軟件自動計算和顯示功率損耗值，這里顯示的是 173.95.mW。

多線圈電感器要求的方法略有不同。總功率損耗是各個線圈的損耗之和。

計算變壓器上的功率損耗，把公式變?yōu)椋?/p>

圖16 DPOPWR 測量的單線圈電感器上的功率損耗。

在初級線圈上測得的功率損耗將包括次級線圈反射的功率，因此，必需測量初級線圈和次級線圈上的功率，然后使用變壓器公式計算功率損耗。

磁性屬性基礎(chǔ)知識

開關(guān)式電源必須在各種工作條件下保持可靠性。為實現(xiàn)最優(yōu)性能，設(shè)計人員一般會使用制造商提供的 B-H.( 磁滯 ) 曲線，指定磁性元件、變壓器和電感器。這些曲線定義了磁性元件磁芯材料的性能包絡(luò)，必須在磁滯曲線的線性區(qū)域內(nèi)，維護(hù)工作電壓、電流、拓?fù)浜娃D(zhuǎn)換器類型等因素。很明顯，變量這么多，維護(hù)起來相當(dāng)不易。

檢定磁性元件的工作區(qū)域，同時在 SMPS 內(nèi)保持工作，對確定電源的穩(wěn)定性至關(guān)重要。測量程序包括匯制磁滯環(huán)路曲線及考察電感器和變壓器的磁性屬性。

圖17 磁性元件典型的 B-H.( 磁滯 ) 曲線。

B-H 曲線

B-H曲線檢定磁性屬性，圖17是正弦激勵典型的B-H曲線。

為進(jìn)行 B-H 曲線測量，一開始時需要下述信息：

■ 流經(jīng)磁性元件的電壓 V

■ 磁性電流 I

■ 圈數(shù) N

■ 磁長度 l

■ 橫截面面積 A

■ 表面積 S

與圖 17 有關(guān)的下述定義都使用這些變量：磁場強(qiáng)度 (H) 是用來感應(yīng)被測材料中磁通量的磁場，單位為每秒安培。

飽和通量密度(Bs)是材料中感應(yīng)的最大磁性通量密度，而不管外部應(yīng)用的場幅度 H 如何。

剩磁 (Br) 是在生成磁滯環(huán)路時在外部應(yīng)用的磁場 (H)返回零后材料中剩余的感應(yīng)的磁性通量密度。

矯磁力 (Hc) 是 H 軸和磁滯環(huán)路的截距上的 H 值，表示導(dǎo)致感應(yīng)的通量密度 (B) 在磁滯環(huán)路測量期間到達(dá)零所需的外部場。Hc 與正負(fù)軸對稱。

初始導(dǎo)磁系數(shù) (μi) 是在 H 接近零時感應(yīng)的磁性通量密度 (B) 與應(yīng)用場 (H) 之比，這是磁滯環(huán)路上任一點的 B與 H 之比。此外，最大幅度導(dǎo)磁系數(shù)是磁滯環(huán)路正周期第一象限上的 B 與 H 之比，是從原點畫出的直線斜率。

磁性屬性測量

電感器作為電源輸入和輸出上的濾波器使用，可以有單個線圈，也可以有多個線圈。在進(jìn)行磁性屬性測量時需要下述信息：

■ 流經(jīng)磁性元件的電壓 V

■ 磁性電流 I

■ 圈數(shù) N

■ 磁長度 l

■ 橫截面面積 A

電感器電壓和電流的公式如下：

在典型的 DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器中，線圈中的通量計算公式如下：

圖 18 是可以作為耦合電感器或變壓器使用的典型的多線圈磁性單元。計算這一電路操作的電氣公式如下：

圖18 多線圈磁性單元

為計算凈磁化電流，必需測量 i ₁ (t)、i ₂ (t) 和 i ₃ (t)。在凈磁化電流一定時，B-H 分析程序與單線圈電感器使用的程序類似。通量取決于凈磁化電流。在所有線圈中測得的矢量和為磁化電流

圖19. 單線圈電感器的 B-H 曲線

圖20 變壓器的 B-H 曲線。

使用示波器測量磁性屬性

專用電源測量軟件可以大大簡化示波器測量磁性屬性的過程。在許多情況下，只需測量電壓和磁化電流就可以了，軟件會為您完成磁性屬性指標(biāo)的計算過程。圖 19 說明了單線圈電感器上的磁性屬性測量結(jié)果。還可以使用初級電流源和次級電流源在變壓器上執(zhí)行測量。

在圖 20 中，通道 1.( 黃色軌跡 ) 是流經(jīng)變壓器的電壓，通道 2.( 藍(lán)色軌跡 ) 是流經(jīng)初級線圈的電流，通道 3.( 洋紅色軌跡 ) 是流經(jīng)次級線圈的電流。軟件使用通道 2和通道 3 數(shù)據(jù)，確定磁化電流。某些電源測量軟件還為磁性元件創(chuàng)建具體的 B-H 曲線，檢定其性能。首先輸入磁芯圈數(shù)、磁長度和橫截面面積，然后軟件會計算 B-H 曲線。

圖21 SMPS 電源 ( 僅初級側(cè) ) 和電源質(zhì)量測試點簡化的示意圖。

測量電源質(zhì)量需要同時輸入 VAC 和 IAC 讀數(shù)。

電源線測量

電源線測量檢定電源與其使用環(huán)境之間的交互情況。要注意的是，電源可以采用任何規(guī)格，從個人電腦中的小型風(fēng)扇盒，到工廠內(nèi)大小適中為設(shè)備提供動力的發(fā)動機(jī)，到為電話群和服務(wù)器群提供支持的大規(guī)模電源。每種電源都對饋電的輸入電源 ( 一般是市政電源 )

有一定影響。

為確定插入電源的影響，必須直接在輸入電源線上測量電源電壓和電流參數(shù)。

電源質(zhì)量測量基礎(chǔ)知識

電源質(zhì)量并不單純依賴發(fā)電廠，還依賴于電源設(shè)計和制造及最終用戶的負(fù)載。電源的電源質(zhì)量特點決定著電源的“健康狀況”。

實際環(huán)境中的電源線永遠(yuǎn)不會提供理想的正弦波，而是在線路上總有一定的失真和不理想特點。開關(guān)電源給電源帶來了非線性負(fù)載。因此，電壓波形和電流波形并不是完全相同。輸入周期的某個部分會吸收電流，在輸入電流波形上產(chǎn)生諧波。確定這些失真的影響是

電源工程設(shè)計中的重要組成部分。

為確定電源線上的功耗和失真，必需在輸入階段測量電源質(zhì)量，如圖 21 所示的電壓測試點和電流測量點所示。

電源質(zhì)量指標(biāo)包括：

■ 真實功率

■ 視在功率或無功功率

■ 功率因數(shù)

■ 波峰因數(shù)

■ 根據(jù) EN61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電流諧波測量

■ 總諧波失真 (THD)

使用示波器測量電源質(zhì)量

運(yùn)行電源測量應(yīng)用軟件的數(shù)字示波器為替代測量電源質(zhì)量的傳統(tǒng)工具—功率計和諧波分析儀提供了強(qiáng)大的解決方案。

必須使用示波器，而不是老式工具。儀器必須能夠捕獲直到基礎(chǔ)諧波 50 階諧波的諧波成分。根據(jù)相應(yīng)的本地標(biāo)準(zhǔn)，電源工頻通常是 50.Hz 或 60.Hz。在某些軍事應(yīng)用和航空應(yīng)用中，工頻可以是 400.Hz。當(dāng)然，信號畸變可能會包含更高的頻率。由于現(xiàn)代示波器采樣率高，它可以以非常高的細(xì)節(jié) ( 分辨率 ) 捕獲快速變化的事件。相比之下，傳統(tǒng)功率計由于響應(yīng)時間相對較慢，可能會漏掉信號細(xì)節(jié)。此外，示波器記錄長度足以采集所需的周期數(shù)，即使在非常高的采樣分辨率下也不例外。

軟件工具加快了測量過程，使設(shè)置時間達(dá)到最小。通過在示波器上運(yùn)行的全功能電源測量軟件，在幾秒鐘內(nèi)執(zhí)行冗長的程序，可以自動完成大多數(shù)電源質(zhì)量測量。通過減少手動計算數(shù)量，示波器可以作為用途非常廣泛、非常高效的功率計。圖 22 是強(qiáng)大的電源測量軟件實例。

示波器探頭也有助于安全可靠地進(jìn)行電源測量。為電源應(yīng)用設(shè)計的高壓差分探頭是觀測浮動電壓信號的首選工具。

圖22 使用 DPOPWR 測量和分析軟件獲得的電源質(zhì)量結(jié)果

測量指標(biāo)包括真實功率、視在功率、波峰因數(shù)、總諧波失真、功率因數(shù)及電流諧波柱狀圖。

要特別注意電流探頭，可以通過多種方式實現(xiàn)電流探頭結(jié)構(gòu)：

■ AC 電流探頭基于電流變壓器 (CT) 技術(shù)。CT 探頭是非插入型探頭，但不能感應(yīng)信號中的 DC 成分，可能會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。

■ 電流并聯(lián)。這種設(shè)計要求中斷電路，可能會導(dǎo)致探頭本身內(nèi)部的電壓下跌，可能會影響電源測量精度。

■ AC/DC 電流探頭一般基于霍爾效應(yīng)傳感器技術(shù)。這種設(shè)備以非插入方式傳感 AC/DC 電流，能夠使用一條連接讀取 AC 成分和 DC 成分。AC/DC 電流探頭已經(jīng)成為迎接開關(guān)式電源中電源質(zhì)量測量挑戰(zhàn)的首選工具。

使用功率分析儀進(jìn)行電源線測量

在測量電源從交流線中吸收的功率時，精密功率分析儀提供了理想的工具。準(zhǔn)確的功率和相關(guān)測量用來確認(rèn)電源的整體電氣額定值及功率、效率和電流波形是否滿足國際要求。

測量包括：

■ 功率 ( 瓦 )

■ 低待機(jī)功率 (mW)

■ 表現(xiàn)功率 (VA)

■ 真實 RMAV 和 A

■ 功率因數(shù)

■ 涌入電流

■ 波峰因數(shù)和峰值

■ 諧波(VA 和 W)

■ THD(VA)

精度

功率分析儀直接連接交流線，使用精密輸入電路 ( 電壓分路器和電流分流器 )，提供 0.05% 或更好的基本精度的功率測量。為確認(rèn)高水平的精度及滿足功率和諧波標(biāo)準(zhǔn)，要求這類精度。

例如，普通示波器和探頭組合可以為電壓和電流提供3% 的幅度精度。整體功率不確定度要更高，在整體功率和效率測量中可以實現(xiàn) 3% 的不確定度。在設(shè)計實現(xiàn)高效率時，這可能會非常重要。例如，在使用示波器測量時，標(biāo)稱 90% 效率可能會最高 93%，最低87%。然后，這種不確定度可能會導(dǎo)致設(shè)計不合規(guī) ( 測量結(jié)果高于 90%，但實際效率低于 90%)，或?qū)е虏槐匾念~外設(shè)計優(yōu)化 ( 測量結(jié)果低于 90%，但實際效率已經(jīng)高于 90%)。

示波器為確認(rèn)和優(yōu)化電源內(nèi)部的高速開關(guān)問題和其他元器件損耗提供了適當(dāng)?shù)墓ぞ?，而精密功率分析儀則為測量整體功率、效率和諧波失真提供了最佳工具。