反(fan)激(ji)式拓撲(pu)結(jie)構SMPS測試方(fang)法(fa)

[導讀]什麽(me)是(shi)SMPS測試?它(ta)有(you)什(shen)麽(me)問(wen)題(ti)?電(dian)源(yuan)、工(gong)業(ye)器(qi)、DC-DC 轉(zhuan)換器(qi)、DC-AC 逆(ni)變(bian)器(qi)或(huo) UPS 所運(yun)用的(de)開關模(mo)式電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換均具備(bei)能效(xiao)、尺(chi)寸小和(he)重(zhong)量(liang)輕(qing)的(de)特點(dian)。但對線路供電型開關模(mo)式電(dian)源(yuan)進行測試或(huo)故障排(pai)除(chu)期(qi)間仍會面臨(lin)若(ruo)幹(gan)難(nan)以應對的(de)相關挑戰(zhan)，這(zhe)便需(xu)要設計人員采(cai)取(qu)的(de)預防(fang)措施。
 

什麽(me)是(shi)SMPS測試?它(ta)有(you)什(shen)麽(me)問(wen)題(ti)?電(dian)源(yuan)、工(gong)業(ye)器(qi)、DC-DC 轉(zhuan)換器(qi)、DC-AC 逆(ni)變(bian)器(qi)或(huo) UPS 所運(yun)用的(de)開關模(mo)式電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換均具備(bei)能效(xiao)、尺(chi)寸小和(he)重(zhong)量(liang)輕(qing)的(de)特點(dian)。但對線路供電型開關模(mo)式電(dian)源(yuan)進行測試或(huo)故障排(pai)除(chu)期(qi)間仍會面臨(lin)若(ruo)幹(gan)難(nan)以應對的(de)相關挑戰(zhan)，這(zhe)便需(xu)要設計人員采(cai)取(qu)的(de)預防(fang)措施。

無論(lun)是(shi)處理電(dian)壓、溫、線路(lu)，還(hai)是(shi)應對低負載要求(qiu)和(he)動態(tai)範圍(wei)的(de)電壓(ya)測量(liang)，操(cao)作都相當有難度(du)。本文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)建(jian)立個(ge)的(de)測試站(zhan)所需(xu)的(de)條(tiao)件，包(bao)括(kuo)實現(xian)輸(shu)入功(gong)耗(hao)、線路、寬(kuan)動態(tai)範圍(wei)電壓測量(liang)和(he)可(ke)編程負(fu)載所需(xu)的(de)器(qi)件。

SMPS 測試問(wen)題

開關模(mo)式電(dian)源(yuan) (SMPS) 能(neng)在短(duan)的(de)轉換時間內打(da)開和關閉(bi)電(dian)壓，從(cong)而(er)降低功(gong)率(lv)損耗。的(de)線路(lu)供電型 SMPS 存(cun)在(zai)若幹相關問題(ti)。

這(zhe)是(shi)個(ge)采(cai)用反(fan)激(ji)式拓撲(pu)結(jie)構的(de)線路(lu)供電型電(dian)源(yuan)。該電路的(de)初側(ce)以(yi)黃(huang)色(se)突(tu)出(chu)顯(xian)示(shi)，對線路(電源(yuan))輸(shu)入(ru)進行波(bo)整(zheng)流並將(jiang)其(qi)應用於初軌。這意味著若(ruo)使(shi)用 120 伏線路(lu)，壓軌和低壓軌之間出(chu)現(xian)的(de)電壓(ya)電平(ping)約(yue)為(wei) 340 伏，若使(shi)用 240 伏線路(lu)，該值(zhi)會於 670 伏。使用 15 伏以下(xia)電壓(ya)的(de)人員和(he)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)能(neng)需(xu)要知悉(xi)，這(zhe)些(xie)電壓(ya)可(ke)能(neng)會致(zhi)命(ming)，所以使(shi)用這些器(qi)件時必(bi)須格外(wai)小心(xin)。

此(ci)整(zheng)流線路電壓將(jiang)存儲於初儲能(neng)電容器(qi) C2 上(shang)。也就(jiu)是(shi)說，即(ji)使(shi)將(jiang)該電源與(yu)線(xian)路(lu)斷開，儲能電(dian)容(rong)器(qi)上(shang)所存儲(chu)的(de)電荷(he)還(hai)是(shi)有風險(xian)。進行故障排(pai)除(chu)前(qian)，應(ying)將(jiang)電源與(yu)線(xian)路(lu)斷開連接，並(bing)利(li)用電阻(zu)器(qi)小(xiao)心(xin)謹(jin)慎地(di)對主要儲能(neng)電(dian)容(rong)器(qi)放(fang)電(dian)。開關 FET Q2 會在壓(ya)軌和低壓軌之間切換。即(ji)使(shi)以方式運(yun)行，此(ci)晶(jing)體(ti)管(guan)也(ye)會變得很(hen)熱(re)，而且它(ta)通常會被(bei)安(an)裝(zhuang)在散(san)熱(re)器(qi)上(shang)。散熱(re)器(qi)周(zhou)圍(wei)的(de)測試操(cao)作員應(ying)謹(jin)慎行事(shi)，以防(fang)被(bei)燒傷(shang)。

請註意，該電(dian)源的(de)初和次區段會采(cai)用反(fan)激(ji)式變壓器(qi) L2 和(he)光(guang)耦(ou)合器(qi) Q4 進行電(dian)。次區段在負 (-) 輸出(chu)端(duan)接(jie)地(di)，初區段不(bu)接地(di)。若使(shi)用接地(di)輸入(ru)儀(yi)器(qi)(如(ru)示波(bo)器(qi))進行故障排(pai)除(chu)，這(zhe)種接地(di)方式(shi)便有(you)問(wen)題。將(jiang)示波器(qi)探(tan)頭(tou)的(de)接地(di)連接(jie)端(duan)與(yu)電(dian)源(yuan)初側(ce)的(de)元(yuan)件連(lian)接(jie)可(ke)能(neng)會導致(zhi)短(duan)路(lu)，而且還(hai)會損壞(huai)主(zhu)要元(yuan)件和(he)示(shi)波器(qi)。

SMPS 通常需(xu)要的(de)低負(fu)載要求(qiu)才(cai)能運(yun)行;若(ruo)負載不(bu)得當(dang)，電(dian)源通常會關閉(bi)。

還(hai)有(you)點(dian)，鑒於(yu)使(shi)用的(de)電壓(ya)之，故障模(mo)式通常會導致(zhi)嚴重(zhong)的(de)後果(guo)。例如(ru)，短(duan)路(lu)的(de)橋式(shi)整(zheng)流器(qi) (D1-D4) 可(ke)能(neng)會向主要(yao)儲(chu)能電容(rong)器(qi)施(shi)加(jia)線(xian)路(lu)電壓，進而導致(zhi)電(dian)容(rong)器(qi)通過(guo)排氣(qi)孔(kong)排出(chu)電(dian)介(jie)質(zhi)，甚至(zhi)會直接(jie)引(yin)發(fa)爆(bao)炸(zha)。所以，設計 SMPS 期(qi)間可(ke)能(neng)會出(chu)現(xian)噴(pen)出(chu)物。

的(de) SMPS 測試設置

SMPS 測試套(tao)件應(ying)使(shi)用若幹常用器(qi)件來(lai)大(da)限度(du)地(di)減少問(wen)題(ti)。

變壓器(qi)主(zhu)要(yao)用於對 SMPS 的(de)初區段進行電(dian)氣(qi)。經，便可(ke)與(yu)初電路(lu)中(zhong)任(ren)意(yi)部(bu)分(fen)的(de)探頭(tou)接地(di)端連(lian)接(jie)。這(zhe)樣初電路(lu)便不(bu)會發生短(duan)路(lu)。若變(bian)壓器(qi)(例(li)如(ru) Bel Signal Transformer，型號 DU-2)同時具備(bei)初和次繞(rao)組(zu)，則(ze)可(ke)將(jiang)其(qi)連接至 120 伏或 240 伏標稱輸入(ru)。它(ta)可(ke)在(zai) 240 伏的(de)電壓(ya)下提(ti)供 9 安(an)培 (A) 的(de)電流(liu)，亦可(ke)在(zai) 120 伏 (2 kVA) 的(de)電壓(ya)下提(ti)供 18 安(an)培 (A) 的(de)電流(liu)。額(e)定功(gong)率(lv) 10 kVA 的(de)變壓(ya)器(qi)為(wei)常見。

自耦(ou)變(bian)壓器(qi)可(ke)用於緩慢升(sheng)施(shi)加於(yu)測試器(qi)件的(de)線路(lu)電壓(ya)。執(zhi)行此操(cao)作(zuo)時需(xu)監控輸(shu)入(ru)電流，這樣便能(neng)在(zai)災難(nan)故障出(chu)現(xian)之(zhi)前(qian)發(fa)現(xian)故障元(yuan)件。Staco Energy Products 型號為(wei) 3PN1010B 的(de)產品是(shi)款(kuan)的(de)自耦(ou)變壓(ya)器(qi)，可(ke)在(zai) 0-140 伏 (1.4 kVa) 的(de)電壓(ya)下提(ti)供 10 A 的(de)電流(liu)。請註意，自耦(ou)變壓器(qi)不(bu)提供線路，所以必(bi)須與(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)配(pei)合使(shi)用才能實現(xian)該(gai)功(gong)能(neng)。

如(ru)前所述，對 SMPS 進行測試需(xu)使用負載。很(hen)常使用的(de)負載為非感應(ying)式(shi)電阻(zu)器(qi)，但請註意，阻(zu)負(fu)載組也(ye)可(ke)能(neng)變得很(hen)熱(re)，所以應(ying)加(jia)以防(fang)護以免(mian)意(yi)外(wai)接觸(chu)。電子(zi)負(fu)載是(shi)能夠(gou)替(ti)代(dai)固定阻(zu)負(fu)載組的(de)替代(dai)方案(an)，其(qi)負載可(ke)變(bian)。運(yun)行負(fu)載調(tiao)節和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)折(zhe)返等(deng)測試時，負(fu)載的(de)能力(li)重(zhong)要。如(ru)果需(xu)進行自(zi)動化測試，則(ze)可(ke)編程功(gong)能(neng)會是(shi)特別重(zhong)要的(de)考(kao)慮(lv)因素(su)。

B&K Precision 型號為(wei) 8514 的(de)產品是(shi)款(kuan)額(e)定功(gong)率(lv)為 1200 W 的(de)電子(zi)負(fu)載，它(ta)可(ke)通過(guo) USB 進行編程，在(zai) 0.1-120 V 的(de)輸入(ru)電壓(ya)範(fan)圍內以(yi)恒(heng)定(ding)電流(liu)、電(dian)壓(ya)、電阻(zu)或(huo)功(gong)耗(hao)模(mo)式運(yun)行。電(dian)子(zi)負(fu)載還(hai)能(neng)模(mo)擬間而變化的(de)動態(tai)負載。

8514 采(cai)用的(de)外(wai)殼為(wei)測試器(qi)件和(he)測試操(cao)作員之(zhi)間提供道(dao)物理屏(ping)障。它(ta)能(neng)在(zai)發生爆炸(zha)事(shi)故時保(bao)護附近的(de)操作(zuo)員。外(wai)殼還(hai)可(ke)進行配(pei)置(zhi)以冷(leng)卻(que)測試器(qi)件和(he)阻(zu)負(fu)載組(如(ru)有使(shi)用)。此類裝(zhuang)置通常可(ke)連(lian)接測試器(qi)件和(he)斷開連接。

線(xian)路(lu)

單相交流(liu)線(xian)路(lu)具有(you)熱(re)線和(he)中(zhong)線。中(zhong)線在(zai)配電系(xi)統(tong)中(zhong)接地(di)，但在電(dian)源(yuan)處可(ke)能(neng)仍於地(di)電位(wei)幾伏電壓(ya)。這會導致(zhi)該(gai)電(dian)源(yuan)的(de)初區段沒有接地(di)參(can)考(kao)。將(jiang)接地(di)示波(bo)器(qi)探(tan)頭(tou)與(yu)初電路(lu)的(de)任(ren)意(yi)點(dian)連接都(dou)可(ke)能(neng)導致(zhi)短(duan)路(lu)。很(hen)多人員和(he)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)試圖通過(guo)移除(chu)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)接地(di)連接(jie)和(he)使(shi)示波器(qi)“浮(fu)動”來(lai)解決此問(wen)題(ti)。這種做法(fa)其(qi)危險(xian)，因為(wei)它(ta)會使示(shi)波(bo)器(qi)外(wai)殼處於出(chu)地(di)電位(wei)幾百伏的(de)環(huan)境。接觸(chu)示波(bo)器(qi)的(de)人員都(dou)可(ke)能(neng)觸(chu)電身亡。

浮(fu)動示波(bo)器(qi)的(de)替代(dai)方案(an)是(shi)使用變壓器(qi)，相關連接(jie)如(ru)圖 2 所示。這(zhe)樣便能(neng)將(jiang)測試電(dian)源與(yu)交流(liu)線(xian)路(lu)分開。使用變壓器(qi)後(hou)，可(ke)在(zai)初電路(lu)中(zhong)的(de)任(ren)意(yi)點(dian)進行接(jie)地(di)連接(jie)，並(bing)將(jiang)該點(dian)作為接(jie)地(di)參(can)考(kao)。雖然(ran)采(cai)用這種方法(fa)可(ke)以(yi)進行電(dian)壓(ya)測量(liang)，但使用測量(liang)電(dian)壓而設計的(de)差分(fen)探頭(tou)會合適(shi)。差分(fen)探(tan)頭(tou)具備(bei)兩個(ge)輸(shu)入端(都不(bu)接地(di))，可(ke)測量(liang)輸(shu)入端之(zhi)間的(de)電壓(ya)差。只要(yao)用個(ge)輸(shu)入端的(de)電壓(ya)減去(qu)另(ling)端的(de)電壓(ya)便能(neng)算(suan)出(chu)電(dian)壓(ya)差(cha)。

差(cha)分(fen)探頭(tou)的(de)差分(fen)測量(liang)會衰減兩個(ge)輸(shu)入端共(gong)有(you)的(de)電壓(ya)信號(稱為共(gong)模(mo)信號)。共(gong)模(mo)信號的(de)衰減量(liang)是(shi)差分(fen)探(tan)頭(tou)的(de)品質(zhi)因數，被(bei)稱為共(gong)模(mo)抑制比 (CMRR)，以(yi)分(fen)貝(bei) (dB) 表示。

壓(ya)差分(fen)探(tan)頭(tou)在(zai)匹配(pei)差分輸入(ru)之(zhi)前(qian)使(shi)用衰減來(lai)測量(liang)壓(ya)。如(ru)圖 3 所示，電(dian)阻(zu)器(qi) R1 和(he) R2 會形成個(ge)補償(chang)衰減器(qi)，而(er)電(dian)阻(zu)器(qi) R3 和(he) R4 又(you)會形成另(ling)個(ge)。將(jiang)衰減器(qi)的(de)輸出(chu)施(shi)加(jia)至(zhi)采(cai)用三個(ge)運(yun)算放(fang)大(da)器(qi)的(de)差分(fen)放大(da)器(qi)的(de)輸入(ru)端。只要(yao)認(ren)真(zhen)匹(pi)配元(yuan)件和(he)對稱的(de) PCB 布局(ju)，便能(neng)獲得較(jiao)的(de) CMRR。

CMRR 重(zhong)要，因為(wei) SMPS 中(zhong)的(de)電壓(ya)測量(liang)可(ke)能(neng)需(xu)要動態(tai)範圍(wei)。電源的(de)初側(ce)持續(xu)轉(zhuan)換 340 伏電壓(ya)，並且轉換時間相對較(jiao)快。這(zhe)些(xie)信號可(ke)輻射至(zhi)整(zheng)個(ge)器(qi)件。試著測量(liang)電(dian)源 FET 上(shang)的(de)柵驅動信號。此(ci)信號低(di)於(yu) 10 伏，受到這些壓(ya)共(gong)模(mo)信號的(de)影響(xiang)，很(hen)難(nan)看(kan)到。使用具有(you)較(jiao) CMRR 的(de)差分(fen)探頭(tou)可(ke)抑(yi)制幹(gan)擾(rao)信號。

諸(zhu)如(ru) Cal Test Electronics 型號為(wei) CT3681 的(de)探頭(tou)運(yun)用了 X100 或 X1000 用戶(hu)可(ke)選(xuan)衰減特。這(zhe)些(xie)探(tan)頭的(de)大(da)額(e)定電壓為 700 V (X100) 或 7 kV (X1000)，CMRR 在(zai) 50 Hz 和 20 kHz 時分(fen)別為(wei) -80 dB 和(he) -60 dB，帶(dai)寬(kuan)為(wei) 70 MHz。這(zhe)類探(tan)頭(tou)的(de)優勢(shi)在於(yu)在(zai)輸出(chu)端(duan)使(shi)用 BNC 連接器(qi)，而(er)非專有(you)探頭(tou)接(jie)口(kou)，這使得它(ta)們(men)可(ke)與(yu)示(shi)波(bo)器(qi)兼(jian)容(rong)。

盡(jin)管(guan)線(xian)路供電型 SMPS 為(wei)流(liu)行和實用，但在測試期(qi)間還(hai)是(shi)會存在(zai)問(wen)題。不(bu)過(guo)如(ru)文(wen)中(zhong)所述，只要(yao)結(jie)合可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)程(cheng)實(shi)踐(jian)並(bing)采(cai)用常用元(yuan)件(如(ru)變壓(ya)器(qi)、自(zi)耦(ou)變(bian)壓(ya)器(qi)、電(dian)子(zi)負(fu)載和差(cha)分(fen)探頭)，便能(neng)顯(xian)著降低這(zhe)些風險(xian)。以上(shang)就(jiu)是(shi)反(fan)激(ji)式拓撲(pu)結(jie)構SMPS測試方(fang)法(fa)，希望能給(gei)大(da)家幫(bang)助(zhu)。