基于開關(guān)電源的測(cè)量中安全性解決方案

　　前言

　　電源幾乎對(duì)于每種外接電源的電子產(chǎn)品都必不可少，開關(guān)電源系統(tǒng)(SMPS)已成為數(shù)字計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)中的主流結(jié)構(gòu)。開關(guān)電源的性能(或者故障)就可能對(duì)一個(gè)昂貴的大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

　　要確保即將實(shí)現(xiàn)的SMPS設(shè)計(jì)可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，測(cè)量是唯一的辦法。SMPS測(cè)量分為三個(gè)主要部分：有源器件測(cè)量、無(wú)源器件測(cè)量(主要是磁性元件)以及電源質(zhì)量測(cè)試。有些測(cè)量可能要面對(duì)浮動(dòng)電壓和強(qiáng)電流;有些測(cè)量需要大量數(shù)學(xué)分析，才能得到有意義的結(jié)果。電源測(cè)量可能很復(fù)雜,特別是開關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)量中安全技術(shù)為引人注目什么吶?應(yīng)先從當(dāng)今開關(guān)電源(SMPS)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與開關(guān)電源沒計(jì)中的挑戰(zhàn)說(shuō)起。

　　開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的特點(diǎn)是：效率越來(lái)越高;功率密度越來(lái)越高;瞬時(shí)負(fù)荷;低電躍,高電流;寬帶供電技術(shù)及符合EN6100003-4 A14標(biāo)準(zhǔn)。

　　開關(guān)電源沒計(jì)中面對(duì)提升開關(guān)電源效率，降低開關(guān)損耗;最大限度地降低磁性器件的功率損耗;需要更快的控制環(huán)路響應(yīng)。必須提高開關(guān)電源系統(tǒng)可靠性，要有海量數(shù)據(jù)分析并符合寬帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);需要簡(jiǎn)便易用、可靠的工具，以及定位問(wèn)題.

　　開關(guān)電源系統(tǒng)

　　大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結(jié)構(gòu)是開關(guān)電源系統(tǒng)，因?yàn)樗�能夠有效地�?yīng)對(duì)變化負(fù)載。典型SMPS的電能“信號(hào)通路”包括無(wú)源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件(如電阻和線性晶體管)，而主要使用(理想情況下)無(wú)損耗的元器件：開關(guān)晶體管、電容和磁性元件。

　　SMPS設(shè)備有一個(gè)控制部分，其中包括脈寬調(diào)節(jié)器、脈頻調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路等�？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫�。

　SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。這些器件開關(guān)時(shí)間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開通還是斷開狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對(duì)開關(guān)器件的主要測(cè)量包括：開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。

　　開關(guān)電源系統(tǒng)的安全測(cè)量

　　工業(yè)電源的安全測(cè)量應(yīng)包括：測(cè)量高電壓和高電流，測(cè)量三相電電路，處理浮動(dòng)設(shè)備或具有不同接地的沒備，檢定數(shù)字控制電路，檢定功率電子器件的瞬時(shí)功率分析、波形分析、相位角及開關(guān)損耗等均應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法定標(biāo)準(zhǔn)。

　　為什么不能使用傳統(tǒng)示波器測(cè)量

　　以交流供電的傳統(tǒng)示波器是以“地為參考點(diǎn)的測(cè)量”，其含義是：交流供電的示波器必須與地線相接，探頭的地線與示波器所有通道的參考點(diǎn)相連，從而接到地電位。而傳統(tǒng)交流供電示波器“差分浮地測(cè)量”危險(xiǎn)!

　　我們測(cè)量的Vc-d=(Va-b+V地環(huán)路電壓)-V地環(huán)路電壓(共模)。

　　通過(guò)用切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護(hù)地線浮動(dòng)起來(lái)，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并可行，因?yàn)樵诮ㄖ�物的布線中其中線也許在某處已經(jīng)與地線相連。是不安全的測(cè)量方法，會(huì)帶來(lái)人身傷害和儀器和電路損壞!

　　不能使用傳統(tǒng)示波器測(cè)量技術(shù)的原因如下：

　　·分布電容和電感降對(duì)待測(cè)點(diǎn)帶來(lái)超過(guò)100pf的感性負(fù)載，可能造成電路損壞!

　　故不可用剪斷示波器接地線的方法迸行差分測(cè)量!也不可使用隔離變壓器進(jìn)行差分測(cè)量!

·示波器在沒有接地的情況下,其電磁兼容特性降達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可能干擾待測(cè)電路或受到空間電磁波的干擾，影響測(cè)量結(jié)果!

　　大多數(shù)示波器的”信號(hào)公共線”終端與保護(hù)性接地系統(tǒng)相連接，通常稱之為“接地”。這樣做的結(jié)果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號(hào)都具有一個(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)殼，通過(guò)使交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)線接地線，并將探頭地線連到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上。這是一種不安全的測(cè)量行為。此行為會(huì)將儀器底盤(不再接地)的電壓提高為與探頭地線相連的測(cè)試點(diǎn)電壓相同。觸摸儀器的用戶就會(huì)成為接地的最短路徑。

此外,它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定，且獲得的測(cè)量結(jié)果也差。而且交流供電儀器在地面浮動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寄生電容。因此，浮動(dòng)測(cè)量將受到振蕩性的破壞，即圖2(a)所示的振鈴出現(xiàn)。

　　浮動(dòng)測(cè)量新方法的引入

　　所謂“浮動(dòng)”測(cè)量，即測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)都不處于接地電位，該測(cè)量也常稱為差分測(cè)量。

　　“信號(hào)公共線”與地之間的電壓可能會(huì)升高到數(shù)百伏。“浮動(dòng)”參考接地的示波器是通過(guò)使接地系統(tǒng)無(wú)效或使用隔離變壓器，將“信號(hào)公