Tektronix電源測(cè)量和分析入門(mén)手冊(cè) （二 ）
無(wú)源元件測(cè)量：磁性元件
無(wú)源元件是指不放大信號(hào)或開(kāi)關(guān)信號(hào)的元件。電源采用全系列無(wú)源元件，如電阻器和電容器，但從測(cè)量角度看，主要重點(diǎn)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(huì)隨著頻率提高而提高，對(duì)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(jí)線圈的電壓和電流耦合到次級(jí)線圈上，提高或降低信號(hào)電平 ( 電壓或電流，但不能同時(shí)是兩者 )。因此，變壓器可以在初級(jí)線圈上接受 120.V 的電壓，然后在次級(jí)線圈上逐步下降到 12.V，同時(shí)次級(jí)線圈上的電流會(huì)成比例提高。注意這不視為放大，因?yàn)樾盘?hào)凈功率不會(huì)提高。由于變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈并沒(méi)有在電氣上相連，因此它們也用來(lái)實(shí)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(shí)
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(shí)，電感器可以幫助保持開(kāi)關(guān)式電源中的振蕩。設(shè)計(jì)人員需要監(jiān)測(cè)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(lái)源、激發(fā)信號(hào)、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(hào)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(cè)量電感。例如，LCR儀表使用內(nèi)置信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)被測(cè)電感器，然后使用電橋平衡技術(shù)，測(cè)量設(shè)備阻抗。LCR 儀表使用正弦波作為信號(hào)源。
但在實(shí)際環(huán)境的電源中，信號(hào)是高電壓高電流方波，因此，大多數(shù)電源設(shè)計(jì)人員首選在電源動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境下監(jiān)測(cè)電感器行為，以獲得更準(zhǔn)確的信息。
使用示波器測(cè)量電感
測(cè)量實(shí)際電源中電感器最常用的工具是示波器。電感測(cè)量本身非常簡(jiǎn)單，只是探測(cè)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(kāi)關(guān)設(shè)備測(cè)量類(lèi)似。
圖14 DPOPWR 應(yīng)用軟件的電感測(cè)量結(jié)果。
圖 14 是電感測(cè)量結(jié)果。這里，軟件計(jì)算的電感為58.97 微亨。
磁性功率損耗基礎(chǔ)知識(shí)
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(wú)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(chǎng)強(qiáng)
■ B 是通量密度。
圖15 各種開(kāi)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(jì)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(shí)正弦激勵(lì)的損耗。制造商還指定了經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，來(lái)計(jì)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(jì)算銅線損耗的公式如下：
其中：
■ Pcu 是銅線損耗。
■ I2rms是流經(jīng)磁性元件的 rms 電流。
■ Rwdg是線圈電阻，這個(gè)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(cè)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(cè)量軟件的示波器測(cè)量結(jié)果，迅速得出總功率損耗和磁芯損耗?？梢允褂眠@兩個(gè)值，計(jì)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(jì)算方法在一定程度上取決于被測(cè)的元件類(lèi)型。被測(cè)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(cè)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(cè)得的流經(jīng)電感器的電流。電源測(cè)量軟件自動(dòng)計(jì)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?？偣β蕮p耗是各個(gè)線圈的損耗之和。
計(jì)算變壓器上的功率損耗，把公式變?yōu)椋?/p>
圖16 DPOPWR 測(cè)量的單線圈電感器上的功率損耗。
在初級(jí)線圈上測(cè)得的功率損耗將包括次級(jí)線圈反射的功率，因此，必需測(cè)量初級(jí)線圈和次級(jí)線圈上的功率，然后使用變壓器公式計(jì)算功率損耗。
磁性屬性基礎(chǔ)知識(shí)
開(kāi)關(guān)式電源必須在各種工作條件下保持可靠性。為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)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(lèi)型等因素。很明顯，變量這么多，維護(hù)起來(lái)相當(dāng)不易。
檢定磁性元件的工作區(qū)域，同時(shí)在 SMPS 內(nèi)保持工作，對(duì)確定電源的穩(wěn)定性至關(guān)重要。測(cè)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(lì)典型的B-H曲線。
為進(jìn)行 B-H 曲線測(cè)量，一開(kāi)始時(shí)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(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度 (H) 是用來(lái)感應(yīng)被測(cè)材料中磁通量的磁場(chǎng)，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(chǎng)幅度 H 如何。
剩磁 (Br) 是在生成磁滯環(huán)路時(shí)在外部應(yīng)用的磁場(chǎng) (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(cè)量期間到達(dá)零所需的外部場(chǎng)。Hc 與正負(fù)軸對(duì)稱(chēng)。
初始導(dǎo)磁系數(shù) (μi) 是在 H 接近零時(shí)感應(yīng)的磁性通量密度 (B) 與應(yīng)用場(chǎng) (H) 之比，這是磁滯環(huán)路上任一點(diǎn)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(diǎn)畫(huà)出的直線斜率。
磁性屬性測(cè)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(gè)線圈，也可以有多個(gè)線圈。在進(jìn)行磁性屬性測(cè)量時(shí)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(zhǎng)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(jì)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(jì)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(jì)算凈磁化電流，必需測(cè)量 i 1 (t)、i 2 (t) 和 i 3 (t)。在凈磁化電流一定時(shí)，B-H 分析程序與單線圈電感器使用的程序類(lèi)似。通量取決于凈磁化電流。在所有線圈中測(cè)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(cè)量磁性屬性
專(zhuān)用電源測(cè)量軟件可以大大簡(jiǎn)化示波器測(cè)量磁性屬性的過(guò)程。在許多情況下，只需測(cè)量電壓和磁化電流就可以了，軟件會(huì)為您完成磁性屬性指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程。圖 19 說(shuō)明了單線圈電感器上的磁性屬性測(cè)量結(jié)果。還可以使用初級(jí)電流源和次級(jí)電流源在變壓器上執(zhí)行測(cè)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(jí)線圈的電流，通道 3.( 洋紅色軌跡 ) 是流經(jīng)次級(jí)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(cè)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(zhǎng)度和橫截面面積，然后軟件會(huì)計(jì)算 B-H 曲線。
圖21 SMPS 電源 ( 僅初級(jí)側(cè) ) 和電源質(zhì)量測(cè)試點(diǎn)簡(jiǎn)化的示意圖。
測(cè)量電源質(zhì)量需要同時(shí)輸入 VAC 和 IAC 讀數(shù)。
電源線測(cè)量
電源線測(cè)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(gè)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(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，到為電話(huà)群和服務(wù)器群提供支持的大規(guī)模電源。每種電源都對(duì)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(cè)量電源電壓和電流參數(shù)。
電源質(zhì)量測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)
電源質(zhì)量并不單純依賴(lài)發(fā)電廠，還依賴(lài)于電源設(shè)計(jì)和制造及最終用戶(hù)的負(fù)載。電源的電源質(zhì)量特點(diǎn)決定著電源的“健康狀況”。
實(shí)際環(huán)境中的電源線永遠(yuǎn)不會(huì)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(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源給電源帶來(lái)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(gè)部分會(huì)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(jì)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(cè)量電源質(zhì)量，如圖 21 所示的電壓測(cè)試點(diǎn)和電流測(cè)量點(diǎn)所示。
電源質(zhì)量指標(biāo)包括：
■ 真實(shí)功率
■ 視在功率或無(wú)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(cè)量
■ 總諧波失真 (THD)
使用示波器測(cè)量電源質(zhì)量
運(yùn)行電源測(cè)量應(yīng)用軟件的數(shù)字示波器為替代測(cè)量電源質(zhì)量的傳統(tǒng)工具—功率計(jì)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(hào)畸變可能會(huì)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(jì)由于響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢，可能會(huì)漏掉信號(hào)細(xì)節(jié)。此外，示波器記錄長(zhǎng)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(cè)量過(guò)程，使設(shè)置時(shí)間達(dá)到最小。通過(guò)在示波器上運(yùn)行的全功能電源測(cè)量軟件，在幾秒鐘內(nèi)執(zhí)行冗長(zhǎng)的程序，可以自動(dòng)完成大多數(shù)電源質(zhì)量測(cè)量。通過(guò)減少手動(dòng)計(jì)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(jì)。圖 22 是強(qiáng)大的電源測(cè)量軟件實(shí)例。
示波器探頭也有助于安全可靠地進(jìn)行電源測(cè)量。為電源應(yīng)用設(shè)計(jì)的高壓差分探頭是觀測(cè)浮動(dòng)電壓信號(hào)的首選工具。
圖22 使用 DPOPWR 測(cè)量和分析軟件獲得的電源質(zhì)量結(jié)果
測(cè)量指標(biāo)包括真實(shí)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(guò)多種方式實(shí)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(hào)中的 DC 成分，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。
■ 電流并聯(lián)。這種設(shè)計(jì)要求中斷電路，可能會(huì)導(dǎo)致探頭本身內(nèi)部的電壓下跌，可能會(huì)影響電源測(cè)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(kāi)關(guān)式電源中電源質(zhì)量測(cè)量挑戰(zhàn)的首選工具。
使用功率分析儀進(jìn)行電源線測(cè)量
在測(cè)量電源從交流線中吸收的功率時(shí)，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(cè)量用來(lái)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(mǎn)足國(guó)際要求。
測(cè)量包括：
■ 功率 ( 瓦 )
■ 低待機(jī)功率 (mW)
■ 表現(xiàn)功率 (VA)
■ 真實(shí) 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(cè)量。為確認(rèn)高水平的精度及滿(mǎn)足功率和諧波標(biāo)準(zhǔn)，要求這類(lèi)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(cè)量中可以實(shí)現(xiàn) 3% 的不確定度。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效率時(shí)，這可能會(huì)非常重要。例如，在使用示波器測(cè)量時(shí)，標(biāo)稱(chēng) 90% 效率可能會(huì)最高 93%，最低87%。然后，這種不確定度可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合規(guī) ( 測(cè)量結(jié)果高于 90%，但實(shí)際效率低于 90%)，或?qū)е虏槐匾念~外設(shè)計(jì)優(yōu)化 ( 測(cè)量結(jié)果低于 90%，但實(shí)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(kāi)關(guān)問(wèn)題和其他元器件損耗提供了適當(dāng)?shù)墓ぞ撸芄β史治鰞x則為測(cè)量整體功率、效率和諧波失真提供了最佳工具。
圖 23. 直接連接功率分析儀
圖 24 使用接續(xù)盒，安全簡(jiǎn)單地進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試。
連接
功率分析儀的標(biāo)準(zhǔn)電流輸入將測(cè)量很大的電流范圍，從幾毫安到 20 或 30.A.RMS。這適合最高 3kW 的大多數(shù)電源。一條功率分析儀電壓表輸入通道由一個(gè)電壓輸入對(duì) (V HI 和 V LO ) 和一個(gè)電流輸入對(duì) (A HI 和 A LO )組成。
使用接續(xù)盒簡(jiǎn)化了這些連接，可以使用 4mm 安全連接器進(jìn)行分析儀連接，為連接電源提供標(biāo)準(zhǔn)AC插座。
低待機(jī)功率連接
功率分析儀的標(biāo)準(zhǔn)電流輸入將測(cè)量很大的電流范圍，從幾毫安到 20 或 30.A.RMS。
為測(cè)量低待機(jī)功率 ( 幾毫瓦 )，應(yīng)使用功率分析儀上的低電流輸入，其標(biāo)為 A 1A ，表示最大輸入為 1A RMS，范圍從幾微安到 1 A RMS。
為避免誤差，在進(jìn)行電壓連接時(shí)也要特別注意，確保
在電流分流器的源端一側(cè)進(jìn)行電壓連接。接續(xù)盒上額
外的端子 (V LO 源 ) 可以方便地完成連接。
泰克另一本入門(mén)手冊(cè)“待機(jī)功率入門(mén)手冊(cè)”詳細(xì)介紹
了這些連接和測(cè)量方法，參見(jiàn)泰克官網(wǎng)。
圖25 滿(mǎn)泰克 CT-xxxx-S 精密電流變送器。
高功率連接
如果想把功率分析儀的量程擴(kuò)展到額定直接輸入 ( 一般為 20 或 30A.RMS) 以上，可以使用電流變送器。變送器可以是簡(jiǎn)單的電流變壓器、高性能有源電流變送器、或提供與被測(cè)電流成比例的電壓輸出的器件(電阻分流器或 Rogowski 線圈 )。
表 1. 不同電源輸入功率的電流測(cè)量技術(shù)
不管是哪種情況，功率分析儀都提供了一個(gè)適合的匹配電流輸入，這個(gè)輸入可以選擇和定標(biāo)，以便由功率分析儀顯示和記錄正確的實(shí)際電流。
圖26. 默認(rèn)的PA1000測(cè)量
圖27. 14項(xiàng)測(cè)量顯示畫(huà)面。
圖28. 電源波形
圖29. 電源諧波成分
使用功率分析儀進(jìn)行功率測(cè)量
基本電源測(cè)量不要求設(shè)置分析儀。然后可以使用功率 分析儀菜單系統(tǒng)，選擇和顯示進(jìn)一步測(cè)量。
圖 30 泰克 PWRVIEW 待機(jī)功率測(cè)量
圖31 PWRVIEW PC軟件繪制諧波圖，并與極限進(jìn)行對(duì)比
進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)一致性測(cè)量功率、待機(jī)功率和效率
許多國(guó)際機(jī)構(gòu)為電源的不同方面及最終產(chǎn)品的功率和能源性能制訂了極限。對(duì)電源，規(guī)定效率和無(wú)負(fù)載(或待機(jī))功率的法規(guī)如下：
■ 美國(guó)能源獨(dú)立和安全法案
■ 歐盟生態(tài)設(shè)計(jì)指令
■ 歐盟 IPP 移動(dòng)設(shè)備充電器等級(jí)
對(duì)通過(guò)電源供電的民用和辦公設(shè)備和電器，其他方案限制著整個(gè)最終產(chǎn)品的能源效率和待機(jī)功率：
■ 能源之星
■ 美國(guó)加里福尼亞州能源委員會(huì)
■ 歐盟生態(tài)標(biāo)記
■ 北歐生態(tài)標(biāo)記
■ 藍(lán)色天使.( 德國(guó) )
■ 最優(yōu)產(chǎn)品計(jì)劃.( 日本 )
■ 節(jié)能計(jì)劃.( 韓國(guó) )
可以使用功率分析儀測(cè)量功率，如前所述，并與上述
相關(guān)計(jì)劃描述的極限進(jìn)行對(duì)比，檢查是否合規(guī)。
從測(cè)量的輸入功率 (P IN ) 和輸出功率 (P OUT ) 中，可以計(jì)算出效率。
功率分析儀測(cè)量各種 AC 信號(hào)和 DC 信號(hào)，通過(guò)同時(shí)使用多臺(tái)功率分析儀，可以提供方便準(zhǔn)確的效率測(cè)量功能。
根據(jù)上述計(jì)劃測(cè)量待機(jī)功率要求歐洲標(biāo)準(zhǔn) IEC62301.Ed.2規(guī)定的專(zhuān)用技術(shù)。為通過(guò)這種方式測(cè)量待機(jī)功率，可以使用 PC 軟件，計(jì)算和檢驗(yàn)要求的測(cè)量穩(wěn)定性和不確定度。
諧波極限
通過(guò)使用功率分析儀配套 PC 軟件，可以迅速方便地記錄諧波測(cè)量，并與 IEC61000-3-2 和其他極限進(jìn)行對(duì)比。PDF 報(bào)告導(dǎo)出等軟件功能為電源合規(guī)測(cè)量提供了完整的報(bào)告功能。
