開關(guān)電源的質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的性能及其安全可靠性。電源測試項(xiàng)目多，計(jì)算量大，統(tǒng)計(jì)繁瑣等問題一直困擾著工程師們，本文將對開關(guān)電源的幾個(gè)重要測試項(xiàng)目進(jìn)行講解。
示波器電源測試分析主要實(shí)現(xiàn)使用示波器來對電源(開關(guān)電源)進(jìn)行相關(guān)測試，提高電源開發(fā)人員的工作效率，方便對電源模塊進(jìn)行測試。主要涉及開關(guān)電源(AC/DC)有關(guān)測試。
在大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中，流行的DC電源結(jié)構(gòu)是開關(guān)電源(SMPS)，這種電源因能夠高效處理負(fù)載變化而聞名。典型SMPS的電源信號路徑包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了有損耗的元件的使用量，如電阻器和線性模式晶體管，重點(diǎn)采用(在理想條件下)沒有損耗的元件，如開關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。其主要構(gòu)成如圖1所示。
圖1 開關(guān)電源原理圖
開關(guān)電源的測試參數(shù)主要包括輸入端分析、輸出端分析、磁性元件分析、開關(guān)器件分析、調(diào)制分析、環(huán)路分析等，如下圖2為示波器進(jìn)入電源分析測試界面后，對應(yīng)各個(gè)測試功能的測試項(xiàng)目。
圖2 電源分析項(xiàng)目
輸入端分析——諧波測試
由于電源諧波的產(chǎn)生會(huì)增大電源系統(tǒng)的諧波損耗，降低電源利用率，使電源端負(fù)載等設(shè)備過載運(yùn)行，縮短使用壽命，也有可能發(fā)生諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致各個(gè)器件因電流過大或電壓過大而損壞等，所以對諧波的參數(shù)測試和分析就至關(guān)重要了。
ZDS3000系列以上的示波器可根據(jù)IEC61000-3-2測試0-40次電流諧波有限值，按對諧波電流的限制，設(shè)備可被分為ABCD四類，并支持諧波有效值導(dǎo)出報(bào)表，示波器諧波測試界面如下圖3所示。
圖3 電流諧波測試界面
次數(shù)：諧波次數(shù)是范圍是0~40。
諧波值：用于顯示某次電流諧波分量的有效值，使用統(tǒng)一的單位，單位由最大值動(dòng)態(tài)決定。
諧波限值：諧波限值根據(jù)IEC 61000-3-2的 A、B、C、D 類標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)計(jì)算得到的限值，選擇的類別不一樣將得到不一樣的電流限值。
狀態(tài)：該狀態(tài)用于顯示與標(biāo)準(zhǔn)比較后的結(jié)果。
輸出端分析——輸出紋波
輸出紋波主要指輸出的直流中的交流成分，在電路的頻率和開關(guān)的頻率都有可能產(chǎn)生紋波。在一些設(shè)備中對這些紋波非常敏感，所以必須對電源輸出的紋波進(jìn)行測量，一般紋波大小為mV，采用峰峰值表示。
示波器電源分析功能中有快捷測試輸出紋波的選型，通過Analyze進(jìn)入選擇輸出紋波，設(shè)置好配置即可快捷得出輸出紋波參數(shù)，并支持導(dǎo)出報(bào)表。
圖4 輸出紋波測試界面
開關(guān)元件分析——開關(guān)損耗測試
開關(guān)電源的開關(guān)器件總是工作在打開或關(guān)閉狀態(tài)，可以提供更高的效率。理想情況下，開關(guān)器件打開和關(guān)閉是沒有損耗的但現(xiàn)實(shí)情況中，開關(guān)器件工作是存功率損耗的。主要包括開關(guān)損耗，傳導(dǎo)損耗。如下圖5所示。
圖5 實(shí)際開關(guān)損耗
針對功率損耗主要計(jì)算主要包括三部分之和：
導(dǎo)通過程損耗+關(guān)閉過程損耗+導(dǎo)通損耗
Ploss = Pon + Poff + Pcond
圖6 開關(guān)損耗測試界面
值：該行結(jié)果為當(dāng)前樣本的計(jì)算結(jié)果；可做最終結(jié)果的參考值。
最大值、最小值和平均值：統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以使用Clear進(jìn)行清除并重新開始統(tǒng)計(jì)。
功率最大統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(P)：瞬時(shí)功率最大值.
能量最大統(tǒng)計(jì)項(xiàng)（E）：與瞬時(shí)功率對應(yīng)的能量，其時(shí)間是一個(gè)采樣間隔。
功率平均值統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(P)：整個(gè)樣本平均功率。
除開關(guān)損耗測試外，還有可用于來料檢測或驗(yàn)證開關(guān)器件性能利用率的SOA（安全工作區(qū)），動(dòng)態(tài)開點(diǎn)電阻及dv/dt,di/dt等分析功能，后續(xù)文章會(huì)一一詳細(xì)介紹。
調(diào)制模塊分析
調(diào)制分析用于電源控制環(huán)路的測量。調(diào)制分析通常用于表征從直流輸出到開關(guān)晶體管選通端脈寬調(diào)制 (PWM) 的反饋，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的電壓調(diào)節(jié)。
對于調(diào)制分析，主要涉及以下幾個(gè)方面的測試分：脈沖分析、占空比、周期、頻率、上升時(shí)間和下降時(shí)間。
磁性分析
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(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。
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)
﹒I-∫V 關(guān)系以及磁性屬性
為了計(jì)算這些數(shù)據(jù)，需要設(shè)置磁性元件有關(guān)參數(shù)，首先必須確定使用的單位 SI 或者 CGS， 根據(jù)單位的不同，其參數(shù)的配置和范圍略有不同。需要配置的參數(shù)有：
S -- 線圈橫截面上
L -- 平均磁路長度
V -- 磁芯體積
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關(guān)式電源中的振蕩。設(shè)計(jì)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。
圖7 磁性分析測試界面
