Tektronix电源测量和分析入门手册（二）

来源：中翔仪器更新时间：2024-07-13 阅读：

无源元件测量：磁性元件

无源元件是指不放大信号或开关信号的元件。电源采用全系列无源元件，如电阻器和电容器，但从测量角度看，主要重点要放在磁性元件 ( 磁性器件 ) 上，特别是电感器和变压器。电感器和变压器都由外面缠着几圈铜线的铁芯组成。

电感器的阻抗会随着频率提高而提高，对较高频率的阻挡作用要高于较低频率，因此适合滤波电源输入和输出上的电流。

变压器把初级线圈的电压和电流耦合到次级线圈上，提高或降低信号电平 ( 电压或电流，但不能同时是两者 )。因此，变压器可以在初级线圈上接受 120.V 的电压，然后在次级线圈上逐步下降到 12.V，同时次级线圈上的电流会成比例提高。注意这不视为放大，因为信号净功率不会提高。由于变压器初级线圈和次级线圈并没有在电气上相连，因此它们也用来实现电路单元之间的隔离。

有助于确定电源性能的部分指标包括：

■ 电感

■ 功率损耗 ( 磁性元件 )

■ 磁性属性

电感基础知识

电源使用电感器作为能量贮存设备、滤波器或变压器。作为变压器时，电感器可以帮助保持开关式电源中的振荡。设计人员需要监测这种设备在工作条件下的行为。电感值取决于电流和电压来源、激发信号、波形和工作频率。电感使用下面的公式确定：

其中：

■ L 是电感 ( 单位为亨利 )。

■ V 是流经电感器的电压。

■ I 是流经电感器的电流。

■ dt 是信号中的变化速率或转换速率。

可以使用几种不同的解决方案测量电感。例如，LCR仪表使用内置信号发生器激励被测电感器，然后使用电桥平衡技术，测量设备阻抗。LCR 仪表使用正弦波作为信号源。

但在实际环境的电源中，信号是高电压高电流方波，因此，大多数电源设计人员首选在电源动态变化的环境下监测电感器行为，以获得更准确的信息。

使用示波器测量电感

测量实际电源中电感器最常用的工具是示波器。电感测量本身非常简单，只是探测流经磁性元件的电压和电流，在很大程度上与前面介绍的开关设备测量类似。

图14 DPOPWR 应用软件的电感测量结果。

图 14 是电感测量结果。这里，软件计算的电感为58.97 微亨。

磁性功率损耗基础知识

磁性功率损耗影响着电源的效率、可靠性和热性能。有两种功率损耗与磁性单元有关：磁芯损耗和铜线损耗。磁芯损耗

磁芯损耗由磁滞损耗和涡流损耗构成。磁滞损耗与DC 通量频率和 AC 通量摆幅有关，而在很大程度上与 DC 通量无关。每单位容量磁滞损耗用下面的公式表示：

其中：

■ P Hyst .是每单位容量的磁滞损耗。

■ H 是场强

■ B 是通量密度。

图15 各种开关频率下的磁芯损耗与通量密度曲线。

可以使用磁芯制造商的产品技术资料计算磁芯损耗，如图 15 所示。这里，制造商指定了一三象限工作时正弦激励的损耗。制造商还指定了经验关系，来计算不同 AC 通量密度和频率下的磁芯损耗。

铜线损耗

铜线损耗源于铜绕组线的电阻。计算铜线损耗的公式如下：

其中：

■ P_cu是铜线损耗。

■ I²_rms是流经磁性元件的 rms 电流。

■ R_wdg是线圈电阻，这个电阻取决于 DC 电阻、趋肤

效应和接近效应。

使用示波器测量磁性功率损耗

可以使用磁芯厂商的产品技术资料及运行电源测量软件的示波器测量结果，迅速得出总功率损耗和磁芯损耗。可以使用这两个值，计算铜线损耗。在知道了不同的功率损耗成分后，可以确定磁性元件上的功率损耗成因。

磁性元件功率损耗计算方法在一定程度上取决于被测的元件类型。被测设备可以是单线圈电感器，也可以是多线圈电感器，还可以是变压器。图 16 显示了单线圈电感器的测量结果。

通道 1.( 黄色轨迹 ) 是流经电感器的电压，通道 2.( 蓝色轨迹 ) 是使用非插入型电流探头测得的流经电感器的电流。电源测量软件自动计算和显示功率损耗值，这里显示的是 173.95.mW。

多线圈电感器要求的方法略有不同。总功率损耗是各个线圈的损耗之和。

计算变压器上的功率损耗，把公式变为：

图16 DPOPWR 测量的单线圈电感器上的功率损耗。

在初级线圈上测得的功率损耗将包括次级线圈反射的功率，因此，必需测量初级线圈和次级线圈上的功率，然后使用变压器公式计算功率损耗。

磁性属性基础知识

开关式电源必须在各种工作条件下保持可靠性。为实现最优性能，设计人员一般会使用制造商提供的 B-H.( 磁滞 ) 曲线，指定磁性元件、变压器和电感器。这些曲线定义了磁性元件磁芯材料的性能包络，必须在磁滞曲线的线性区域内，维护工作电压、电流、拓扑和转换器类型等因素。很明显，变量这么多，维护起来相当不易。

检定磁性元件的工作区域，同时在 SMPS 内保持工作，对确定电源的稳定性至关重要。测量程序包括汇制磁滞环路曲线及考察电感器和变压器的磁性属性。

图17 磁性元件典型的 B-H.( 磁滞 ) 曲线。

B-H 曲线

B-H曲线检定磁性属性，图17是正弦激励典型的B-H曲线。

为进行 B-H 曲线测量，一开始时需要下述信息：

■ 流经磁性元件的电压 V

■ 磁性电流 I

■ 圈数 N

■ 磁长度 l

■ 横截面面积 A

■ 表面积 S

与图 17 有关的下述定义都使用这些变量：磁场强度 (H) 是用来感应被测材料中磁通量的磁场，单位为每秒安培。

饱和通量密度(Bs)是材料中感应的最大磁性通量密度，而不管外部应用的场幅度 H 如何。

剩磁 (Br) 是在生成磁滞环路时在外部应用的磁场 (H)返回零后材料中剩余的感应的磁性通量密度。

矫磁力 (Hc) 是 H 轴和磁滞环路的截距上的 H 值，表示导致感应的通量密度 (B) 在磁滞环路测量期间到达零所需的外部场。Hc 与正负轴对称。

初始导磁系数 (μi) 是在 H 接近零时感应的磁性通量密度 (B) 与应用场 (H) 之比，这是磁滞环路上任一点的 B与 H 之比。此外，最大幅度导磁系数是磁滞环路正周期第一象限上的 B 与 H 之比，是从原点画出的直线斜率。

磁性属性测量

电感器作为电源输入和输出上的滤波器使用，可以有单个线圈，也可以有多个线圈。在进行磁性属性测量时需要下述信息：

■ 流经磁性元件的电压 V

■ 磁性电流 I

■ 圈数 N

■ 磁长度 l

■ 横截面面积 A

电感器电压和电流的公式如下：

在典型的 DC 到 DC 转换器中，线圈中的通量计算公式如下：

图 18 是可以作为耦合电感器或变压器使用的典型的多线圈磁性单元。计算这一电路操作的电气公式如下：

图18 多线圈磁性单元

为计算净磁化电流，必需测量 i ₁ (t)、i ₂ (t) 和 i ₃ (t)。在净磁化电流一定时，B-H 分析程序与单线圈电感器使用的程序类似。通量取决于净磁化电流。在所有线圈中测得的矢量和为磁化电流

图19. 单线圈电感器的 B-H 曲线

图20 变压器的 B-H 曲线。

使用示波器测量磁性属性

专用电源测量软件可以大大简化示波器测量磁性属性的过程。在许多情况下，只需测量电压和磁化电流就可以了，软件会为您完成磁性属性指标的计算过程。图 19 说明了单线圈电感器上的磁性属性测量结果。还可以使用初级电流源和次级电流源在变压器上执行测量。

在图 20 中，通道 1.( 黄色轨迹 ) 是流经变压器的电压，通道 2.( 蓝色轨迹 ) 是流经初级线圈的电流，通道 3.( 洋红色轨迹 ) 是流经次级线圈的电流。软件使用通道 2和通道 3 数据，确定磁化电流。某些电源测量软件还为磁性元件创建具体的 B-H 曲线，检定其性能。首先输入磁芯圈数、磁长度和横截面面积，然后软件会计算 B-H 曲线。

图21 SMPS 电源 ( 仅初级侧 ) 和电源质量测试点简化的示意图。

测量电源质量需要同时输入 VAC 和 IAC 读数。

电源线测量

电源线测量检定电源与其使用环境之间的交互情况。要注意的是，电源可以采用任何规格，从个人电脑中的小型风扇盒，到工厂内大小适中为设备提供动力的发动机，到为电话群和服务器群提供支持的大规模电源。每种电源都对馈电的输入电源 ( 一般是市政电源 )

有一定影响。

为确定插入电源的影响，必须直接在输入电源线上测量电源电压和电流参数。

电源质量测量基础知识

电源质量并不单纯依赖发电厂，还依赖于电源设计和制造及最终用户的负载。电源的电源质量特点决定着电源的“健康状况”。

实际环境中的电源线永远不会提供理想的正弦波，而是在线路上总有一定的失真和不理想特点。开关电源给电源带来了非线性负载。因此，电压波形和电流波形并不是完全相同。输入周期的某个部分会吸收电流，在输入电流波形上产生谐波。确定这些失真的影响是

电源工程设计中的重要组成部分。

为确定电源线上的功耗和失真，必需在输入阶段测量电源质量，如图 21 所示的电压测试点和电流测量点所示。

电源质量指标包括：

■ 真实功率

■ 视在功率或无功功率

■ 功率因数

■ 波峰因数

■ 根据 EN61000-3-2 标准进行电流谐波测量

■ 总谐波失真 (THD)

使用示波器测量电源质量

运行电源测量应用软件的数字示波器为替代测量电源质量的传统工具—功率计和谐波分析仪提供了强大的解决方案。

必须使用示波器，而不是老式工具。仪器必须能够捕获直到基础谐波 50 阶谐波的谐波成分。根据相应的本地标准，电源工频通常是 50.Hz 或 60.Hz。在某些军事应用和航空应用中，工频可以是 400.Hz。当然，信号畸变可能会包含更高的频率。由于现代示波器采样率高，它可以以非常高的细节 ( 分辨率 ) 捕获快速变化的事件。相比之下，传统功率计由于响应时间相对较慢，可能会漏掉信号细节。此外，示波器记录长度足以采集所需的周期数，即使在非常高的采样分辨率下也不例外。

软件工具加快了测量过程，使设置时间达到最小。通过在示波器上运行的全功能电源测量软件，在几秒钟内执行冗长的程序，可以自动完成大多数电源质量测量。通过减少手动计算数量，示波器可以作为用途非常广泛、非常高效的功率计。图 22 是强大的电源测量软件实例。

示波器探头也有助于安全可靠地进行电源测量。为电源应用设计的高压差分探头是观测浮动电压信号的首选工具。

图22 使用 DPOPWR 测量和分析软件获得的电源质量结果

测量指标包括真实功率、视在功率、波峰因数、总谐波失真、功率因数及电流谐波柱状图。

要特别注意电流探头，可以通过多种方式实现电流探头结构：

■ AC 电流探头基于电流变压器 (CT) 技术。CT 探头是非插入型探头，但不能感应信号中的 DC 成分，可能会导致测量不准确。

■ 电流并联。这种设计要求中断电路，可能会导致探头本身内部的电压下跌，可能会影响电源测量精度。

■ AC/DC 电流探头一般基于霍尔效应传感器技术。这种设备以非插入方式传感 AC/DC 电流，能够使用一条连接读取 AC 成分和 DC 成分。AC/DC 电流探头已经成为迎接开关式电源中电源质量测量挑战的首选工具。

使用功率分析仪进行电源线测量

在测量电源从交流线中吸收的功率时，精密功率分析仪提供了理想的工具。准确的功率和相关测量用来确认电源的整体电气额定值及功率、效率和电流波形是否满足国际要求。

测量包括：

■ 功率 ( 瓦 )

■ 低待机功率 (mW)

■ 表现功率 (VA)

■ 真实 RMAV 和 A

■ 功率因数

■ 涌入电流

■ 波峰因数和峰值

■ 谐波(VA 和 W)

■ THD(VA)

精度

功率分析仪直接连接交流线，使用精密输入电路 ( 电压分路器和电流分流器 )，提供 0.05% 或更好的基本精度的功率测量。为确认高水平的精度及满足功率和谐波标准，要求这类精度。

例如，普通示波器和探头组合可以为电压和电流提供3% 的幅度精度。整体功率不确定度要更高，在整体功率和效率测量中可以实现 3% 的不确定度。在设计实现高效率时，这可能会非常重要。例如，在使用示波器测量时，标称 90% 效率可能会最高 93%，最低87%。然后，这种不确定度可能会导致设计不合规 ( 测量结果高于 90%，但实际效率低于 90%)，或导致不必要的额外设计优化 ( 测量结果低于 90%，但实际效率已经高于 90%)。

示波器为确认和优化电源内部的高速开关问题和其他元器件损耗提供了适当的工具，而精密功率分析仪则为测量整体功率、效率和谐波失真提供了最佳工具。