普源DS7054示波器電源質量與效率分析測試

隨著眾多新品手機快充技術的應用，大家對以 GaN、SiC 為代表的快充充電器增加了 更多的關注。由于 GaN、SiC 等新型半導體的寬禁帶等特性，使得以其為核心的電源 具有更高的開關速度、更低的開關損耗和更高的轉換效率，使得充電器可以更小巧， 更節能環保。在電動車，便攜電子設備中得到的愈加廣泛的應用。 在開關電源類產品的開發設計過程中，電源的轉換效率、輸出電壓紋波和電源電能質 量都是直接影響開關電源質量的關鍵因素。

原理描述/工作方式

開關電源的典型原理框圖如下：

電源的電能質量

如下參數為衡量開關電源電能質量的主要指標。我們在通過測試電源線上的電源 輸入及質量進行開關電源電能質量測試時，這些參數也是主要的測試項。

 V_RMS：為供電交流電源的電壓有效值；

I_RMS：為開關電源工作狀態輸入交流電源的供電電流有效值；

視在功率：等于 V_RMS 與 I_RMS 的乘積，表示輸出給開關電源的電量容量， 單位為 VA；

有功功率：指電源單位時間實際消耗的電能量，是將電能轉換為其他形式能 量的電功率，單位為 W；

無功功率：是指在具有電抗元件（電容和電感）的交流電路中，為建立交變磁 場和感應磁通而需要的電功率。該部分能量在電源與電感元件間交換，但不 轉化為機械能和熱能。單位為 VAR；

 PF 功率因數：等于有功功率與視在功率的比值，表示開關電源對交流電源電 量的利用效率。功率因數越低，代表無功功率越大。除了電感電容等元器件產 RIGOL 應用指南/技術說明書 7 生的無功功率，非線性器件造成的高頻諧波成份，也會帶來一部分無功功率。

φ相角：開關電源中的相角主要是指在開關電源工作狀態，交流供電線路電 壓與電流的相位差。

電源的轉換效率

開關電源轉換效率的主要影響因素為：開關器件的開關損耗、導通損耗，磁性器 件的鐵損，銅損等。其中開關損耗是其中重要的因素。 在 MOSFET 及 IGBT 等開關器件在開關導通及截止關閉過程中，由于電路中的 電感元件及功率器件的電子漂移速度的影響，在導通瞬間，電壓不能馬上變為 0， 而電流已經開始上升；在關閉瞬間，電流不能馬上變為 0，而電壓已經上升。所 以會產生開關損耗。

優化電路設計，選擇具有理想開關特性的功率器件或者軟開關等技術，可以有效 降低開關損耗，提高開關電源的轉換效率。

電源輸出電壓紋波

開關電源輸出電壓的紋波輸出電壓主要來自功率器件導通與關閉時脈動電流在 輸出濾波電容上產生的電壓波動，通常在幾百 kHz 以上，低頻部分主要來源為電 源工頻干擾及其諧波。 開關電源電路中產生的諧波會影響負載及電網中其他用電設備的正常工作。為了 控制用電設備的諧波指標標準，歐盟發布的 IEC61000-3-2 標準規定了開關電源 需要符合的電流諧波標準。

電源電能質量與功率效率測試環境搭建

測試準備如下：

1. 將 RP1100D 高壓差分探頭連接到示波器 DS7054 的 CH1; 并將探頭勾住電源輸 入端的 L 線與 N 線。 應用指南/技術說明書 10

2. 將 RP1001C 電流探頭連接到示波器 DS7054 的 CH2，并執行消磁及調零；

3. 將 RP1001C 電流探頭勾住電源輸入端的 L 線。

4. 開關電源的輸出端與電子負載 DL3031A 的輸入端連接；

Step1 執行通道延遲校正

1. RPA246 偏移校正夾具通過 USB 線供電后，將 RP1100D 的正負極連接到夾具的電壓 正負極；將 RP1001C 電流探頭夾在夾具的電流環路。如圖所示。

2. 之后調節示波器設置使 CH1 和 CH2 通道信號的上升沿顯示在屏幕中間，通過通道延 遲調節，消除示波器兩個通道的時間延遲，讓兩通道的信號重合。

3. 完成通道延遲校正后，將 RP1100D 連接開關電源 AC 供電的火線和零線，探頭衰減 與示波器 CH1 探頭比均設為 X200；RP1001C 鉗在火線上，衰減設為 100mV/A，示 波器 CH2 探頭比設為 X10。

Step2 負載設置及測試

1. 按下 DL3031A 的 CC 恒流按鍵，調整 CC 電流使恒壓輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CC 功能。 對于 LED 驅動等恒流輸出電源，按下 DL3031A 的 CV 恒壓按鍵，調整 CV 電壓使 恒流輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CV 功能。

2. 記錄 DL3031A 屏幕上顯示的功率值，為開關電源的輸出功率 Pout。

Step3 執行電源電能質量測量

1. 按下示波器屏幕左下角的多功能按鍵，在彈出的菜單中選擇電源分析，分析類型 選擇電源質量，在源中設置 CH1 為電壓通道，CH2 為電流通道。并打開顯示功 能。此時在示波器的屏幕上會顯示電源質量測試結果。

2. 記錄 Real Power（有功功率）為開關電源的輸入功率 Pin。

3. 根據 Pout/Pin，計算得到此開關電源的轉換效率。

Step4 執行電流諧波測量

1. 將示波器通過 USB 線纜與 PC 連接；

2. 打開 PC UPA 軟件，并配置電流諧波測試參數；

3. 點擊軟件執行測試，在軟件上會直接顯示諧波的通過情況。

使用示波器與直流電子負載即可快速完成電源產品的質量測試，替代了之前使用功率分析儀及 復雜軟件操作才能進行的電源質量測試方法，大大節省測試的成本。