1.1 什么是開關(guān)電源
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。
根據(jù)開關(guān)電源的輸入和輸出類型可以分為：AC-DC、DC-DC、 DC-AC等。
開關(guān)電源的作用，例如 AC-DC電源：
● 整流：將輸入交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號
● 電壓轉(zhuǎn)換：輸出要求的電壓幅度
● 濾波：將輸入整流的電壓進(jìn)行平滑
● 調(diào)整：控制輸出電壓使得幅度恒定
● 隔離：將輸入與輸出部分進(jìn)行電氣隔離
● 保護(hù)：防止浪涌等有害電壓到達(dá)輸出部分，造成設(shè)備損壞
圖 1.1各種類型的開關(guān)電源
1.2 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)
圖 1.2開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)
典型的AD-DC開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如上圖 2所示。
輸入的交流電進(jìn)入電源后，首先經(jīng)過前級整流電路進(jìn)行整流，經(jīng)過全橋式整流二級管整流后，電壓全部變成正相電壓。不過此時得到的電壓仍然存在較大的起伏，這就必須使用高壓濾波電容進(jìn)行初步穩(wěn)壓，將波形修正為起伏較小的波形。
把直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的脈動直流電，這一步由控制電路來完成。輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。控制電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路。
把得到的脈動直流電，送到高頻開關(guān)變壓器進(jìn)行降壓。再由二極管和濾波電容組成的低壓濾波電路進(jìn)行整流和濾波就得到了設(shè)備上使用的純靜的低壓直流電。
理想的開關(guān)電源，電源的工作方式應(yīng)與設(shè)計和建模的性能一模一樣：提供穩(wěn)定，平滑的輸出電壓，無論輸入，負(fù)載或者環(huán)境溫度如何變化，并且有100％的能量轉(zhuǎn)換效率。但事實上，各種元件都是不完美的：負(fù)載會變化，電源可能會失真，環(huán)境變化會影響性能。此外提高性能、改善效率、縮小尺寸和降低成本的需求，則進(jìn)一步提高了電源設(shè)計的復(fù)雜性。
當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠性、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化，其中關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，改善二次整流器件的損耗。
1.3 開關(guān)電源的測試和指標(biāo)
對于工作中的開關(guān)電源，設(shè)備負(fù)載和需求在不同時間之間可能會大幅度變化。即使是商用開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均工作電流的峰值電流。設(shè)計電源的工程師或使用電源的系統(tǒng)需要了解電源在各種條件下的工作狀態(tài)，并需要對開關(guān)電源進(jìn)行詳盡的測試和驗證，例如電源輸入電能質(zhì)量的測試，輸入波動對輸出影響的測試，負(fù)載變動對輸出影響的測試，此外整體能效的測試和評估都是非常必要的。
開關(guān)電源的測試參數(shù)主要包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和能效參數(shù)的測試。
1.3.1 輸入?yún)?shù)
開關(guān)電源的輸入?yún)?shù)包括了以下的主要指標(biāo)：
● 輸入電壓：開關(guān)電源輸入的電壓幅值
● 輸入電流：開關(guān)電源輸入的電流幅值
● 輸入功率：開關(guān)電源輸入的功率值
● 輸入頻率：開關(guān)電源輸入的電壓頻率
● 輸入電流諧波\電壓諧波
█ 諧波畸變：交流量中諧波含量的均方根值與基波分量之百分比
圖 1.3開關(guān)電源輸入?yún)?shù)的測試示例
1.3.2 輸出參數(shù)
開關(guān)電源的輸出參數(shù)包括了以下的主要指標(biāo)：
1． 反映輸入電壓對輸出電壓影響的指標(biāo)
輸入電壓影響輸出電壓的幾個指標(biāo)形式：
● 絕對穩(wěn)壓系數(shù) S=△Uo/Uo / △Ui/Ui
● 電網(wǎng)調(diào)整率： 輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化+-10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量△Uo/Uo ，有時也以絕對值表示
● 電壓穩(wěn)定度：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓相對變化△Uo/Uo（百分值），稱為穩(wěn)壓器的電壓穩(wěn)定度
圖 1.4輸入電壓的波動對輸出電壓的影響
2． 反映輸入電壓對輸出電流影響的指標(biāo)
輸入電壓影響輸出電流的幾個指標(biāo)形式：
● 絕對穩(wěn)壓系數(shù) S=△Io/Io / △Ui/Ui
● 電網(wǎng)調(diào)整率： 輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化+-10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量△ Io/Io ，有時也以絕對值表示
● 電流穩(wěn)定度：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電流相對變化△ Io/Io （百分值），稱為穩(wěn)壓器的電流穩(wěn)定度
圖 1.5輸入電壓的波動對輸出電流的影響
3． 反映負(fù)載對輸出電壓影響的指標(biāo)
負(fù)載對輸出電壓影響的幾種指標(biāo)形式：
● 負(fù)載調(diào)整率（也稱電流調(diào)整率）
█ 在額定電網(wǎng)電壓下，負(fù)載電流從零變化到較大時，輸出電壓的較大相對變化量△Uo/Uo ，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時也用絕對變化量表示。
█ 在額定電網(wǎng)電壓下，額定負(fù)載、空載或者較小負(fù)載時，輸出電流的較大相對變化量△ Io/Io ，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時也用絕對變化量表示。
圖 1.6 負(fù)載的波動對輸出電壓電流的影響
4． 紋波電壓
在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。
● 紋波系數(shù)Y（%）。
█ 在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比，即y=Urms/Uo×100%
● 噪聲不同于紋波。紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的2%以下 。
5． 響應(yīng)時間
響應(yīng)時間是指負(fù)載電流突然變化時，穩(wěn)壓器的輸出電壓從開始變化到達(dá)新的穩(wěn)定值的一段調(diào)整時間
在直流穩(wěn)壓器中，則是用在矩形波負(fù)載電流時的輸出電壓波形來表示這個特性，稱為過度特性。
6． 失真：
這是交流穩(wěn)壓器特有的。是指輸出波形不是正弦波形，產(chǎn)生波形畸變，稱為畸變。
● 輸出波形畸變主要是因為信號中存在諧波。
● 諧波會對連接到電源線路上的設(shè)備造成影響。
7． 溫度漂移和溫度系數(shù)
溫度漂移：環(huán)境溫度的變化影響元器件的參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓器輸出電壓變化。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小
● 絕對溫度系數(shù)：溫度變化1攝氏度引起輸出電壓值的變化△UoT，單位是V/℃或mV/℃
● 相對溫度系數(shù)：溫度變化1攝氏度引起輸出電壓相對變化△UoT/Uo，單位是V/℃
● 只在精度較高的穩(wěn)壓器中，才有溫度系數(shù)和溫漂兩項指標(biāo)。
8． 漂移
穩(wěn)壓器在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，元件參數(shù)的穩(wěn)定性也會造成輸出電壓的變化，慢變化叫漂移，快變化叫噪聲，介于兩者之間叫起伏。
表示漂移的方法有兩種：
● 在指定的時間內(nèi)輸出電壓值的變化△Uot。
● 在指定時間內(nèi)輸出電壓的相對變化△Uot/Uo。
● 考察漂移的時間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時、8小時或更長。
1.3.3 能效指標(biāo)
開關(guān)電源的能效指標(biāo)是其很重要的一類測試指標(biāo)，是開關(guān)電源的市場準(zhǔn)入的必要條件。能效指標(biāo)包括以下的指標(biāo)：
● 效率
█ Po為輸出功率，Pi為輸入功率
█ 多路輸出功率值為各路輸出的總功率
█ 效率為輸出功率和輸入功率的比值：η = Po/Pi
● 功率因素：在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即λ=P/S。
● 待機(jī)功耗：電源輸入端連接到電網(wǎng)上,輸出端不連接負(fù)載不消耗功率狀態(tài)下的輸入有功功率。
針對不同應(yīng)用的開關(guān)電源，需要符合一定的能效標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)即能源利用效率標(biāo)準(zhǔn)，是對用能產(chǎn)品的能源利用效率水平或在一定時間內(nèi)能源消耗水平進(jìn)行規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)具有較高的社會和經(jīng)濟(jì)效益。目前的能效標(biāo)準(zhǔn)主要包括：
● 歐盟市場
█ ErP Directive
█ Eco-Label
█ Energy Efficiency Class Label
● 北美市場
█ Energy Star
█ CEC
● 澳洲市場
█ MEPS
█ Energy Rating Label
● 中國市場
█ 能效等級標(biāo)簽
圖 1.7不同的能效標(biāo)準(zhǔn)
1.4 基于功率分析儀PA6000的開關(guān)電源測試系統(tǒng)
圖 1.8基于功率分析儀PA6000的開關(guān)電源測試系統(tǒng)
開關(guān)電源測試系統(tǒng)可以根據(jù)不同參數(shù)的測量條件，進(jìn)行自動化的測試，一個典型的開關(guān)電源測試系統(tǒng)包括以下設(shè)備：
● 程控電源
● 程控電阻負(fù)載
● 功率分析儀PA6000
● 管理軟件
采用PA6000功率分析儀可以很方便地對開關(guān)電源的輸入、輸出參數(shù)和能效指標(biāo)進(jìn)行測量。一個220VAC輸入，12VDC輸出的開關(guān)電源測試示例如下。Elemen1測量輸入和Element2測量輸出。
下圖中顯示為PA6000顯示的為開關(guān)電源的輸入、輸出參數(shù)和效率測量結(jié)果。
圖 1.9輸入輸出參數(shù)和效率測量
圖 1.10開關(guān)電源輸入電壓和電流的波形
通過PA6000功率分析儀的波形查看功能，可以觀察開關(guān)電源的輸入輸出波形，如上圖為開關(guān)電源輸入的電網(wǎng)電壓和電流波形。其中電壓波形有明顯的畸變。
圖 1.11測量輸入電壓的諧波
通過PA6000功率分析儀的諧波功能，可以獲取到電壓的諧波含量和諧波畸變率。如上圖所示。
圖 1.12輸入電壓測量數(shù)值和輸入電壓的變化趨勢
通過PA6000功率分析儀的數(shù)值測量和趨勢分析功能，可以獲取到輸入電壓的測量數(shù)值和變化趨勢。如上圖所示。
在開關(guān)電源測試中，需要對開關(guān)電源的啟動時間和輸出時序進(jìn)行測量，此時可以采用PA6000功率分析儀的常規(guī)分析功能。PA6000可以保存已測量的數(shù)據(jù)和波形，并且在儀器上對數(shù)據(jù)執(zhí)行各測量分析操作；可以將變化速度較快的測量數(shù)據(jù)和波形先保存，再逐個調(diào)出執(zhí)行分析。
圖 1.13開關(guān)電源啟動時間測量
對上圖中的測量結(jié)果進(jìn)行分析，測量開關(guān)電源從AC220V上電，到DC12V穩(wěn)定輸出的過程：
● AC220V上電到DC12V穩(wěn)定輸出時間為350ms
● DC12V輸出穩(wěn)定時間為15ms
PA系列功率分析儀能夠直接測量出開關(guān)電源輸入輸出的電壓、電流、功率、功率因素和效率。通過趨勢圖，可以得到輸入和輸出電壓、電流的波動情況，可以得到電網(wǎng)調(diào)整率、電壓電流穩(wěn)定度。通過常規(guī)分析功能：觀察開關(guān)電源啟動時間，分析啟動電壓和電流值。通過諧波分析功能測量電壓和電流的畸變率。
對于能效指標(biāo)的測量，可以采用PA6000功率分析儀，同時測量輸入電網(wǎng)電壓、電流和功率，輸出電壓、電流和功率。一臺PA 系列功率分析儀較多同時可進(jìn)行6 個設(shè)備的功率測量，且互相之間沒有干擾。
PA6000支持能效之星標(biāo)準(zhǔn)的檢測，并支持IEC62301標(biāo)準(zhǔn)。IEC62301中對測量設(shè)備的功率測量精度有明確要求：用于測量低于0.5W待機(jī)功耗的儀器要求功率測量不確定度至少優(yōu)于0.01W。測量待機(jī)功率時，PA 功率分析儀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐吩O(shè)計實現(xiàn)了極低的本體噪聲，保證額定3mA 的量程時可以測量到量程1% 的有效輸入，支持0.03mA 或更小的測量。此外，通過用戶自定義功能計算間歇性振蕩控制方式信號的平均功率。
0571-86775300
