横河大学：电源行业测试经验分享

开关电路的特点

电源行业的发展趋势：节能环保、高可靠性和低噪声污染。对应这三大要求，具体到开关电源的开发，需要解决几个问题：减少开关损耗、提高可靠性(确认SOA)和EMC(抑制谐波电流和减少噪声)，所以必须在以下几个方面卯足劲，追求更高境界：

高转换率

即使在负载变化、波形畸变等条件下仍然能够实现高效的能量转换。

高稳定性

在负载、输入电压和温度等变化时、开关电源仍能够稳定的工作；具有较强的抗外界干扰的能力。 抑制谐波的能力

低功耗

不仅是在正常的工作状态下要求功耗低，而且在待机状态下也应该有较低的功耗，例如PC 、家电等电气设备。

更低的成本

不断优化产品设计，降低制造成本和使用成本。

DLM系列电源分析功能 针对电源行业的这些开发需求，横河DLM系列混合信号示波器具备特别合适的功能选项，堪称为电源行业工程师量身打造： SW Loss：开关损耗分析 SOA：安全工作区分析 Harmonics：谐波分析 I2t：焦耳积分 Power Measurement：功率测量

开关损耗测量

来看看DLM系列混合信号示波器做上述相关性能测试的一些实例演示：

• 分析结果可以表示为各个分析区间的损耗的测定周期(Wp)、单位时间的损耗(P)。
• 每单位时间的损失(P)分别对应上述的损耗(Wp)的Turn On、On、Turn Off 、Total，以多个周期时间Tc除去损耗，求每单位时间的损耗。

滤波器的应用——运算滤波

• 高通与低通滤波器
• 可设定一阶、二阶滤波运算
• 任意设置截止频率（最低0.01Hz ）

应力波形叠加-历史统计功能

工程师做器件应力测试时，需要在随时调整负载的情况下，同时不断调高示波器的触发电平，以捕捉不断升高的Vds 和Id。利用示波器的历史存储功能，无需随时调整触发电平， 示波器可以自动将已触发的波形保留在历史内存中。

后续分析数据时，工程师只需打开历史功能菜单，将所有的开关波形叠加显示后，能够清楚地观测到最高的尖峰；使用历史统计功能， 可以一次性将每一屏的Max、Min 等数据自动测量统计，并以列表方式显示，方便工程师迅速查询到最大应力水平。在保存波形数据时，选择保存历史存储波形，可以将不用工况下应力测试数据保存在一个文件里面，方便后期分析查找。

应力波形叠加显示

历史统计结果列表显示

驱动信号Vgs测试时的共摸干扰问题

观测驱动信号Vgs波形时，由于高端臂共摸电压较高，共摸干扰会影响Vgs真实波形的观测。严重的情况下，会导致测试的Vgs超标，测试无法通过。我们可以通过如下方法检测高臂端共摸干扰情况：将差分探头的+/-端子连接到Vs端子上之后，便可以得知CMRR的影响。CMRR的影响会表现在高臂端。

为了抑制高臂端(S极)的共摸干扰，建议尽量采用更高共摸抑制比(CMRR)的差分探头。

作为完成的电源测试解决方案，除了DLM系列混合信号示波器，横河WT系列功率分析仪在能效测试方面提供强有力的支持。以下是电源开发中能效方面的几个应用：

电源能效测试

能效是衡量电源性能很重要的指标，高效，高频，低能耗， 安全，智能，微型化是电源技术发展的大趋势

 电源能效测试标准： 

IEC62301、SPECpoewer、欧洲能源之星、美国能源署80PLUS 等标准中对测量设备的功率测量精度有明确要求。

以IEC62301 为例，用于测量低于0.5W 待机功耗的仪器要求功率测量不确定度至少优于0.01W。在测量待机功率时，需要测量设备在5mA 的量程时可以测量到量程1% 的有效输入， 支持0.05mA 或更小的测量，并且对于测试中要求的平均有功功率可以通过自定义公式的功能来实现。同时IEC62301 标准规定使用特殊算法，计算被测设备的功率稳定性。功耗测量软件可以收集功率计的所有测量数据，不但包括电压、电流、功率和频率，还包括AC 电源的总谐波失真(THD) 和峰值因数(CF)。

 能效测试项目： 

电压、电流、功率、功率因数、谐波、电能以及效率等。

待机功耗测量

 常见的待机功耗测量错误： 

• 测量电流小（毫安级），不正当的接线引入回路误差。

正确的做法是将电流测量回路连到近负载一侧。电压测量回路测得负载电压eL和电流测量回路的电压eI之和，误差仅为eI。2A输入单元和30A输入单元的电流测量回路的输入阻抗分别约为500mΩ和5.5mΩ。例如，负载阻抗为1kΩ时，对2A输入单元测量精度的影响约为0.05%(500mΩ/1kΩ)，对30A输入单元测量精度的影响约为0.00055%(5.5mΩ/1kΩ)(WT3000例）。

• 高电位电流输入端子引起杂散电容，引入电流误差。

正确的操作是将WT3000的电流输入端子连到靠近电源(SOURCE)GND电位的一端，可以降低杂散电容对测量精度的影响。WT3000的内部构造（如下图所示）电压测量回路和电流测量回路各自被屏蔽盒包围后放入外部机箱。电压测量回路和电流测量回路的屏蔽盒分别连到电压输入端子和电流输入端子的±端。因为外部机箱与屏蔽盒绝缘，所以存在杂散电容Cs。Cs约为100pF。而误差正是由该杂散电容产生的电流形成的。

平均有功功率测量

待机功耗测试时，如果有功波动较大，可以采用AVG平均或者积分功率平均。

建议采用积分平均有功功率，因为待机功耗测量时，电流波动较大，采用常规的平均方式，会有死区时间，而积分平均是对瞬时功率做连续积分，没有死区时间，测量值更可靠。

直流功率的测量

看似简单的直流功率测量，实际上有很多弯弯绕。

您是不是遇到过这些问题：

• 功率分析仪显示的P≠Urms x Irms ？
• 测量直流功率时该用RMS模式还是DC模式？
• 直流没有周期，同步源该如何设置？
• 直流测量时是否需要开滤波？开到多低？

如果是理想的直流电压/电流，P=UxI，但实际的电压或电流经常会叠加交流成分（尤其是电流），功率计的有效值是按总波计算，RMS值包含了直流成分和交流成分，导致RMS值大于直流分量。在电池供电或者直流源供电时，Urms=Udc而Irms>Idc，交流分量只存在于直流电流中，因此此时的有功功率=UdcxIdc或者有功功率=Pdc

直流信号脉动时，如果脉动电平大于等于频率检测回路的检测电平且可以正确稳定地测量出周期，就有可能正确地测量直流。如果一个较大交流信号叠加在直流信号上，可以采用检测交流信号的周期再执行平均的方法，实现更加稳定的测量。

此外，如果直流信号上带微小变动的脉冲噪声穿过过零电平，该点被检测为过零，结果，区间内的采样数据被平均，电压和电流等测量值也有可能不稳定。如果此时同步源设为None，可以防止此类误检测的发生，数据更新周期不设置为自动时，同步源None，数据更新周期内所有采样数据全部做平均运算。

除了示波器和功率分析仪，横河的电源测试解决方案中还包含其他丰富功能的测试仪器。尤其对于电源的可靠性和抗干扰能力，横河GP系列的无纸记录仪将发挥必不可少的作用。

温升测试的干扰

电源行业温升测试的难点在于：

• 热电偶产生的热电势信号非常微小。
• 随着变频器的普及，测试环境变得越来越恶劣。

 抑制干扰的对策： 

1. 使用高共摸抑制比、高串模抑制比、高共模耐压测试设备。
2. 测试电路与内部电路的绝缘方式（光电耦合绝缘最佳）。
3. 采用积分型A/D,在对模拟量进行A/D转换时，先对模拟信号进行积分运算。
4. 针对不同工频干扰频率，设定合适测量周期。
5. 同时使用 一阶低通滤波与A/D积分的方式。
6. 区别于常规扫描型模块，独立A/D测试模块能有效去除通道切换造成的影响。
7. 热电偶前端与被测点绝缘能有效抑制共摸干扰。
8. 热电偶线采用双绞屏蔽线、采用电磁屏蔽措施。
9. 使用温度变送器（4mA-20mA输出）、外置滤波电容等。

 

运用上述方法尤其要注意一点：测试电路与记录仪内部电路之间，通过光电耦合绝缘，可以大幅度减低从传感器来的共模干扰，即使不慎在传感器上加了高压，也不至破坏记录仪, 或对操作人员造成伤害！

此外还需注意：测试电路与记录仪内部电路之间，通过光电耦合绝缘，可以大幅度减低从传感器来的共模干扰，即使不慎在传感器上加了高压，也不至破坏记录仪, 或对操作人员造成伤害！

干扰问题往往很难一下拿出明确解决方案，要根据干扰的种类对症下药，因此分析干扰的成因和进行多种经验性尝试都是很重要的。

以上内容是上周横河大学直播课的内容摘要，如果需要系统深入地掌握更多测试前沿技能，欢迎关注横河大学的系列讲座！