開關電源測量分析解決方案

前言

開關電源供應器（Switching Mode Power Supply）主要用途乃是將電力公司所提供的高壓、低穩定性的交流電源，轉換成適合各種電子產品使用的低壓、穩定性較佳的直流電源

今日開關電源的應用已廣泛地使用在各個領域。而固緯GDS-3000示波器，搭配電源分析軟件包含了完整的電源質量分析，諧波分析測試，紋波測試和涌入電流測試，可取代傳統使用示波器外加功率計的效能，為您在提供完整的工具的前提下，減少您所需投入的成本，讓您專注于電源的性能和使用效率以及先進的電子和通信日常電子產品系統。

開關電源供應器（Switching Mode Power Supply）依其功能上的差異，又可分為AC/DC（交流轉直流電源供應器）、DC/DC（直流轉直流電源供應器）兩種產品。SMPS可廣泛應用在計算機、辦公室自動化設備、工業控制設備、通訊設備等。以目前的應用及趨勢，朝向體積小、重量輕、轉換效率高的切換式電源供應器將會是應用的主流。這份文件將以介紹示波器的電源分析功能及相關應用。

在切換式電源供應器上包含了被動、主動和磁性組件，如圖1示。穩壓電路的調整則利用場效式晶體管（MOSFET）或是IGBT等低損耗的電子半導體切換組件來取代一般的電阻，其主要目的在提供快速的切換，在順向偏壓導通（ON）時提供趨近為零的阻抗，在斷開（OPEN）時則可提供非常高的阻抗而形成開路的狀態，在高速的切換過程中，調整不同導通和斷開所周期時間比率（Duty Cycle）來穩定輸出的電壓及大小。電壓的輸出及時間的關系如圖2所示。

圖1: SMPS電路示意圖

圖2: SMPS開關與電壓輸出關系

一般而言，在輸出端負載所看到的平均電壓為:

V_O（avg） = （t_on/T） x V_i

導通時間t_on越短，輸出電壓相對變小，一般切換的頻率高達20MH以上，切換裝置的控制是透過控制器輸出脈寬（PWM）調制訊號驅動MOSFET閘極，控制斷開及導通，用以穩定輸出電壓。越高的切換頻率則可減低輸出電壓的紋波，確保功率的穩定輸出

固緯GDS-3000示波器功率測試介紹

    GDS-3000可選配電源分析軟件，其功能包含電源質量（Power Quality）、諧波（Harmonics） 、紋波（Ripple）與涌入電流（In-rush current）。只要選配此電源分析軟件，便可以讓使用者省下購買相對昂貴的功率計（Power Meter）的費用，讓使用者可以從示波器便輕易地取得電源測試的相關數據。

其功能介紹如下：

電源質量（Power Quality）

設計一個開關電源，需要評估開關電源一次測的質量。實際供電電壓和電流波形不是理想的正弦波，而是包括失真及其它異常的現象。這種異常影響功率消耗，效率和可靠性。因此衡量電源質量是非常重要的。

GDS-3000電源分析軟件除了計算基礎的參數，如視在功率（Apparent Power），有效功率（True Power），虛功率（Reactive Power）與功率因子（Power Factor）外（圖3），亦包含其它豐富的參數可供使用者用來判別電源質量的優劣（圖4）

圖3: 功率三角示意圖

圖4: GDS-3000 電源質量測試圖解

若負載是非線性負載，例如整流性負載，電流波形就會失真。若電壓頻率是50Hz，將失真的電流經傅立葉轉換分析后，可將其電流組成分解為除了基頻（50Hz）外，倍頻（100Hz, 150Hz,…）成份的組合。其倍頻的成份就稱為諧波。由于近年來整流性負載的大量使用，造成大量的諧波電流的出現, 也間接污染了市電。所以會有IEC61000-3-2這個法規的實施。來確保市電電壓的純正。

GDS-3000諧波測試包含了業界的標準IEC61000-3-2（圖5），并可選擇Class A/B/C/D以符合各種不同應用的需求（見表1與表2）。例如: Class A可測試三相電源設備、家電用品、調光器、音頻設備等；Class B可評斷攜帶式設備、非工業的電弧焊（arc welder）；Class C可評斷照明設備及Class D可評斷電視接收器、個人計算機、及計算機屏幕相關功率與小于600W功率的裝置。因此使用GDS-3000的諧波測試功能，除可依使用者需求得到各階的諧波失真外，也可立即得到業界標準IEC61000-3-2的測試結果。相關的應用選擇如下表所示

圖5: GDS-3000諧波測試顯示

紋波（Ripple）與噪聲（Noise）

• 紋波（Ripple）：

開關電源輸出的整體噪聲可以被視為是具有紋波和噪聲的組合（圖6）。紋波是開關電源的充放電所造成的電壓波動事件。這種噪聲具有低的峰值/均值比。發生在基礎的開關頻率，通常被稱為噪聲的RMS值。紋波波形代表輸入和輸出電容的充放電效應，增加輸入和/或輸出電容值可以降低紋波的影響。

• 噪聲（Noise）：
• （noise spike）發生在電源的開啟和關閉時。雖然噪聲的重復頻率是由開關電源的開關頻率來決定，噪聲尖峰的頻率普遍高于開關式電源的開關頻率。噪聲振幅會依開關電源拓撲結構，電路寄生效應和PCB布局來變化。當噪聲發生在一個較高的頻率時，噪聲尖峰極易受探棒或實驗室設置的影響。

相較于其它示波器的電源量測功能僅能量測Ripple，GDS-3000透過自行研發技術，還能量測電源的Noise，讓使用者更能完整的預測電源的實際狀況，做出更的評估（見圖8）。其量測示意圖可參考圖7。

涌入電流（In-rush current）

涌入電流或浪涌電流（Surge Current）可視為: 當開關電源*次啟動時流入電子裝置瞬間zui大的輸入電流。如此高的初始電流為偏壓加入時，使電容造成瞬間短路的結果。設計人員須注意此一重要參數，就是當切換器啟動時，若控制失當的話，大量的涌入電流將會涌現，并在切換器上產生壓降，此時將對整個系統產生致命的沖擊。

此瞬間涌入的電流量測，目的在確認電源供應器的輸入電容的充電電流不會超過zui大額訂電流或超過輸入端的組件可承受的zui大電流。GDS-3000的電源分析軟件，透過一階涌入電流（First Peak）的計算，可讓設計者可以輕松地選擇保險絲規格，省去手動計算的耗時與錯誤。而除了一階涌入電流的計算外，固緯的第二階涌入電流（Second Peak）觀測，讓使用者更可清晰地觀測待測物開機時瞬間的變化（見圖10）。其量測示意圖如圖9所示。

圖10: GDS-3000涌入電流測試顯

結語

今日開關電源的應用已廣泛地使用在各個領域。而固緯GDS-3000示波器，搭配電源分析軟件包含了完整的電源質量分析，諧波分析測試，紋波測試和涌入電流測試，可取代傳統使用示波器外加功率計的效能，為您在提供完整的工具的前提下，減少您所需投入的成本。

GDS-3000系列可選配差動探棒或是電流探棒來進行電源分析測試，包含3個25MHz/1400Vp-p*200衰減，50MHz/7000Vp-p*1000衰減以及100MHz/7000Vp-p*1000衰減的差動探棒，和2個全新的50MHz/30A與100MHz/30A電流探棒。完整的功率測試效能，讓GDS-3000提供了整體解決方案以符合各式電源測試應用的需求。