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如何用數(shù)字示波器測試開關(guān)電源？
2014-09-27
從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關(guān)電源，直流穩(wěn)壓電橋電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開關(guān)電源，也要能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其平均工作電平的瞬間峰值。設(shè)計(jì)電源或系統(tǒng)中要使用電源的工程師需要了解在靜態(tài)條件以及最差條件下電源的工作情況。
過去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數(shù)字萬用表測量靜態(tài)電流和電壓，并用計(jì)算器或PC進(jìn)行艱苦的計(jì)算。今天，大多數(shù)工程師轉(zhuǎn)而將示波器作為他們的首選電源測量平臺(tái)。現(xiàn)代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件，簡化了設(shè)置，并使得動(dòng)態(tài)測量更為容易。用戶可以定制關(guān)鍵參數(shù)、自動(dòng)計(jì)算，并能在數(shù)秒鐘內(nèi)看到結(jié)果，而不只是原始數(shù)據(jù)。
電源設(shè)計(jì)問題及其測量需求
理想情況下，每部電源都應(yīng)該像為它設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型那樣地工作。但在現(xiàn)實(shí)世界中，元器件是有缺陷的，負(fù)載會(huì)變化，供電電源可能失真，環(huán)境變化會(huì)改變性能。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜?？紤]這些問題：
電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續(xù)多長時(shí)間？電源散發(fā)多少熱量？過熱時(shí)會(huì)怎樣？它需要多少冷卻氣流？負(fù)載電流大幅增加時(shí)會(huì)怎樣？設(shè)備能保持額定輸出電壓嗎？電源如何應(yīng)對(duì)輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時(shí)會(huì)怎樣？
設(shè)計(jì)人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴(yán)格的EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)的電源。只有一套嚴(yán)格的測量體系才能讓工程師達(dá)到這些目標(biāo)。
示波器和電源測量
對(duì)那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因?yàn)槠漕l率相對(duì)較低。實(shí)際上，電源測量中也有很多高速電路設(shè)計(jì)師從來不必面對(duì)的挑戰(zhàn)近。
整個(gè)開關(guān)設(shè)備的電壓可能很高，而且是“浮動(dòng)的”，也就是說，不接地。信號(hào)的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會(huì)變化。必須如實(shí)捕獲并分析波形，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對(duì)示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時(shí)需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲(chǔ)器，以提供長時(shí)間低頻采集結(jié)果的記錄空間。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號(hào)。
開關(guān)電源基礎(chǔ)
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結(jié)構(gòu)是開關(guān)電源（SMPS），它因?yàn)槟軌蛴行У貞?yīng)對(duì)變化負(fù)載而眾所周知。典型SMPS的電能信號(hào)路徑包括無源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件（如電阻和線性晶體管），而主要使用（理想情況下）無損耗的元器件：開關(guān)晶體管、電容和磁性元件。SMPS設(shè)備還有一個(gè)控制部分，其中包括脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器脈頻調(diào)制調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路1等組成部分?？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫?。
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