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電路單元之間的隔離。

有助于確定電源性能的部分指標包括：

■ 電感

■ 功率損耗 ( 磁性元件 )

■ 磁性屬性

電感基礎知識

電源使用電感器作為能量貯存設備、濾波器或變壓器。作為變壓器時，電感器可以幫助保持開關式電源中的振蕩。設計人員需要監測這種設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 是流經電感器的電壓。

■ I 是流經電感器的電流。

■ dt 是信號中的變化速率或轉換速率。

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

但在實際環境的電源中，信號是高電壓高電流方波，因此，大多數電源設計人員首選在電源動態變化的環境下監測電感器行為，以獲得更準確的信息。

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，只是探測流經磁性元件的電壓和電流，在很大程度上與前面介紹的開關設備測量類似。

圖14 DPOPWR 應用軟件的電感測量結果。

圖 14 是電感測量結果。這里，軟件計算的電感為58.97 微亨。

磁性功率損耗基礎知識

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：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成。磁滯損耗與DC 通量頻率和 AC 通量擺幅有關，而在很大程度上與 DC 通量無關。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

■ B 是通量密度。

圖15 各種開關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品技術資料計算磁芯損耗，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。制造商還指定了經驗關系，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

效應和接近效應。

使用示波器測量磁性功率損耗

可以使用磁芯廠商的產品技術資料及運行電源測量軟件的示波器測量結果，迅速得出總功率損耗和磁芯損耗。可以使用這兩個值，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果。

通道 1.( 黃色軌跡 ) 是流經電感器的電壓，通道 2.( 藍色軌跡 ) 是使用非插入型電流探頭測得的流經電感器的電流。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，把公式變為：

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。

磁性屬性基礎知識

開關式電源必須在各種工作條件下保持可靠性。為實現最優性能，設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，必須在磁滯曲線的線性區域內，維護工作電壓、電流、拓撲和轉換器類型等因素。很明顯，變量這么多，維護起來相當不易。

檢定磁性元件的工作區域，同時在 SMPS 內保持工作，對確定電源的穩定性至關重要。測量程序包括匯制磁滯環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。

為進行 B-H 曲線測量，一開始時需要下述信息：

■ 流經磁性元件的電壓 V

■ 磁性電流 I

■ 圈數 N

■ 磁長度 l

■ 橫截面面積 A

■ 表面積 S

與圖 17 有關的下述定義都使用這些變量：磁場強度 (H) 是用來感應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)是材料中感應的最大磁性通量密度，而不管外部應用的場幅度 H 如何。

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

矯磁力 (Hc) 是 H 軸和磁滯環路的截距上的 H 值，表示導致感應的通量密度 (B) 在磁滯環路測量期間到達零所需的外部場。Hc 與正負軸對稱。

初始導磁系數 (μi) 是在 H 接近零時感應的磁性通量密度 (B) 與應用場 (H) 之比，這是磁滯環路上任一點的 B與 H 之比。此外，最大幅度導磁系數是磁滯環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。在進行磁性屬性測量時需要下述信息：

■ 流經磁性元件的電壓 V

■ 磁性電流 I

■ 圈數 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果。還可以使用初級電流源和次級電流源在變壓器上執行測量。

在圖 20 中，通道 1.( 黃色軌跡 ) 是流經變壓器的電壓，通道 2.( 藍色軌跡 ) 是流經初級線圈的電流，通道 3.( 洋紅色軌跡 ) 是流經次級線圈的電流。軟件使用通道 2和通道 3 數據，確定磁化電流。某些電源測量軟件還為磁性元件創建具體的 B-H 曲線，檢定其性能。首先輸入磁芯圈數、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 ) 和電源質量測試點簡化的示意圖。

測量電源質量需要同時輸入 VAC 和 IAC 讀數。

電源線測量

電源線測量檢定電源與其使用環境之間的交互情況。要注意的是，電源可以采用任何規格，從個人電腦中的小型風扇盒，到工廠內大小適中為設備提供動力的發動機，到為電話群和服務器群提供支持的大規模電源。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。

電源質量測量基礎知識

電源質量并不單純依賴發電廠，還依賴于電源設計和制造及最終用戶的負載。電源的電源質量特點決定著電源的“健康狀況”。

實際環境中的電源線永遠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。開關電源給電源帶來了非線性負載。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生諧波。確定這些失真的影響是

電源工程設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量，如圖 21 所示的電壓測試點和電流測量點所示。

電源質量指標包括：

■ 真實功率

■ 視在功率或無功功率

■ 功率因數

■ 波峰因數

■ 根據 EN61000-3-2 標準進行電流諧波測量

■ 總諧波失真 (THD)

使用示波器測量電源質量

運行電源測量應用軟件的數字示波器為替代測量電源質量的傳統工具—功率計和諧波分析儀提供了強大的解決方案。

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諧波 50 階諧波的諧波成分。根據相應的本地標準，電源工頻通常是 50.Hz 或 60.Hz。在某些軍事應用和航空應用中，工頻可以是 400.Hz。當然，信號畸變可能會包含更高的頻率。由于現代示波器采樣率高，它可以以非常高的細節 ( 分辨率 ) 捕獲快速變化的事件。相比之下，傳統功率計由于響應時間相對較慢，可能會漏掉信號細節。此外，示波器記錄長度足以采集所需的周期數，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，使設置時間達到最小。通過在示波器上運行的全功能電源測量軟件，在幾秒鐘內執行冗長的程序，可以自動完成大多數電源質量測量。通過減少手動計算數量，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行電源測量。為電源應用設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量結果

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

要特別注意電流探頭，可以通過多種方式實現電流探頭結構：

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

■ 電流并聯。這種設計要求中斷電路，可能會導致探頭本身內部的電壓下跌，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傳感器技術。這種設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 電流探頭已經成為迎接開關式電源中電源質量測量挑戰的首選工具。

使用功率分析儀進行電源線測量

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。準確的功率和相關測量用來確認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 )

■ 低待機功率 (mW)

■ 表現功率 (VA)

■ 真實 RMAV 和 A

■ 功率因數

■ 涌入電流

■ 波峰因數和峰值

■ 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。為確認高水平的精度及滿足功率和諧波標準，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 3% 的不確定度。在設計實現高效率時，這可能會非常重要。例如，在使用示波器測量時，標稱 90% 效率可能會最高 93%，最低87%。然后，這種不確定度可能會導致設計不合規 ( 測量結果高于 90%，但實際效率低于 90%)，或導致不必要的額外設計優化 ( 測量結果低于 90%，但實際效率已經高于 90%)。

示波器為確認和優化電源內部的高速開關問題和其他元器件損耗提供了適當的工具，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。