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隨著眾多新品手機快充技術(shù)的應用，大家對以 GaN、SiC 為代表的快充充電器增加了更多的關注。由于 GaN、SiC 等新型半導體的寬禁帶等特性，使得以其為核心的電源具有更高的開關速度、更低的開關損耗和更高的變換效率，使得充電器可以更小巧，更節(jié)能環(huán)保。在電動車，便攜電子設備中得到的愈加廣泛的應用。
在開關電源類產(chǎn)品的開發(fā)設計過程中，電源的轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓紋波和電源電能質(zhì)量都是直接影響開關電源質(zhì)量的關鍵因素。
電源的質(zhì)量、效率和紋波
1、電源電能質(zhì)量電源電能質(zhì)量是電源測試中的基本測試項。
是標定電源工作參數(shù)的測試依據(jù)。電源電能質(zhì)量包含了電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)及諧波等參數(shù)。
2、電源轉(zhuǎn)換效率。
換效率就是電源的輸出功率與輸入功率的比值，是電源類產(chǎn)品的基本指標，開關電源的設計首先需要考慮的是效率優(yōu)化。
高電源轉(zhuǎn)化效率意味著電源產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保指標更高，同時也會降低用電費用，對關注充電效率和節(jié)能環(huán)保的充電樁、光伏發(fā)電等一些高功率供電設備具有特別重要的意義。
3、電源輸出電壓紋波紋波就是一個直流電壓中的交流成分。
對于直流輸出開關電源，輸出直流電壓的穩(wěn)定性會直接影響驅(qū)動設備的工作穩(wěn)定性。影響直流電源輸出電壓穩(wěn)定性的指標主要是紋波。紋波越小，直流電源輸出的電壓越穩(wěn)定，波動越小。
原理描述
開關電源的典型原理框圖
電源的電能質(zhì)量
如下參數(shù)為衡量開關電源電能質(zhì)量的主要指標。我們在通過測試電源線上的電源輸入及質(zhì)量進行開關電源電能質(zhì)量測試時，這些參數(shù)也是主要的測試項。
I_RMS：為開關電源工作狀態(tài)輸入交流電源的供電電流有效值；
視在功率：等于 V_RMS 與 I_RMS 的乘積，表示輸出給開關電源的電量容量，單位為 VA；
有功功率：指電源單位時間實際消耗的電能量，是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的電功率，單位為 W；
無功功率：是指在具有電抗元件（電容和電感）的交流電路中，為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率。該部分能量在電源與電感元件間交換，但不轉(zhuǎn)化為機械能和熱能。單位為 VAR；
PF 功率因數(shù)：等于有功功率與視在功率的比值，表示開關電源對交流電源電量的利用效率。功率因數(shù)越低，代表無功功率越大。除了電感電容等元器件產(chǎn)生的無功功率，非線性器件造成的高頻諧波成份，也會帶來一部分無功功率。
φ相角：開關電源中的相角主要是指在開關電源工作狀態(tài)，交流供電線路電壓與電流的相位差。
電源的轉(zhuǎn)換效率開關電源轉(zhuǎn)換效率的主要影響因素為：開關器件的開關損耗、導通損耗，磁性器件的鐵損，銅損等。其中開關損耗是其中重要的因素。
在 MOSFET 及 IGBT 等開關器件在開關導通及截止關閉過程中，由于電路中的電感元件及功率器件的電子漂移速度的影響，在導通瞬間，電壓不能馬上變?yōu)?0，而電流已經(jīng)開始上升；在關閉瞬間，電流不能馬上變?yōu)?0，而電壓已經(jīng)上升。所以會產(chǎn)生開關損耗。
開關電源的轉(zhuǎn)換效率
優(yōu)化電路設計，選擇具有理想開關特性的功率器件或者軟開關等技術(shù)，可以有效降低開關損耗，提高開關電源的轉(zhuǎn)換效率。
電源輸出電壓紋波開關電源輸出電壓的紋波輸出電壓主要來自功率器件導通與關閉時脈動電流在輸出濾波電容上產(chǎn)生的電壓波動，通常在幾百 kHz 以上，低頻部分主要來源為電源工頻干擾及其諧波。
開關電源電路中產(chǎn)生的諧波會影響負載及電網(wǎng)中其他用電設備的正常工作。為了控制用電設備的諧波指標標準，歐盟發(fā)布的 IEC61000-3-2 標準規(guī)定了開關電源需要符合的電流諧波標準。
EN61000-3-02 分類和標準
A 類設備諧波限制標準
電源電能質(zhì)量與功率效率測試
環(huán)境搭建
電源電能質(zhì)量測試連接示意圖
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電源轉(zhuǎn)換效率測試連接圖
本測試的測試準備如下：1、將 RP1100D 高壓差分探頭連接到示波器 DS7054 的 CH1; 并將探頭勾住電源輸入端的 L 線與 N 線。2、將 RP1001C 電流探頭連接到示波器 DS7054 的 CH2，并執(zhí)行消磁及調(diào)零；3、將 RP1001C 電流探頭勾住電源輸入端的 L 線。4、開關電源的輸出端與電子負載 DL3031A 的輸入端連接；
操作步驟
執(zhí)行通道延遲校正 1、RPA246 偏移校正夾具通過 USB 線供電后，將 RP1100D 的正負極連接到夾具的電壓正負極；將 RP1001C 電流探頭夾在夾具的電流環(huán)路。如圖所示。2、之后調(diào)節(jié)示波器設置使 CH1 和 CH2 通道信號的上升沿顯示在屏幕中間，通過通道延遲調(diào)節(jié)，消除示波器兩個通道的時間延遲，讓兩通道的信號重合。3、完成通道延遲校正后，將 RP1100D 連接開關電源 AC 供電的火線和零線，探頭衰減與示波器 CH1 探頭比均設為 X200；RP1001C 鉗在火線上，衰減設為 100mV/A，示波器 CH2 探頭比設為 X10。
通道延遲校正連接圖
通道延遲校正
負載設置及測試
1、按下 DL3031A 的 CC 恒流按鍵，調(diào)整 CC 電流使恒壓輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CC 功能。對于 LED 驅(qū)動等恒流輸出電源按下 DL3031A 的 CV 恒壓按鍵，調(diào)整 CV 電壓使恒流輸出電源輸出額定功率或 1/2 額定功率，按下 ON/OFF 按鍵打開 CV 功能。2、記錄 DL3031A 屏幕上顯示的功率值，為開關電源的輸出功率 Pout。
電子負載設置
執(zhí)行電源質(zhì)量測量 1、按下示波器屏幕左下角的多功能按鍵，在彈出的菜單中選擇電源分析，分析類型選擇電源質(zhì)量，在源中設置 CH1 為電壓通道，CH2 為電流通道。并打開顯示功能。此時在示波器的屏幕上會顯示電源質(zhì)量測試結(jié)果。2、記錄 Real Power（有功功率）為開關電源的輸入功率 Pin。3、根據(jù) Pout/Pin，計算得到此開關電源的轉(zhuǎn)換效率。
電源質(zhì)量測試結(jié)果
執(zhí)行電流諧波測量
1、將示波器通過 USB 線纜與 PC 連接；
2、打開 PC UPA 軟件，并配置電流諧波測試配置；3、點擊軟件執(zhí)行測試，在軟件上會直接顯示諧波的通過情況。
電源諧波測試界面
電源紋波測試
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電源紋波測試連接示意圖
測試準備如下：1、將開關電源的輸出端與電子負載輸入端連接；2、PVP2350 高阻無源探頭連接 MS08104 示波器的 CH1；
電源紋波測試
操作步驟
示波器要選擇 20MHz 的帶寬限制；
為避免由探針與地線形成的類天線環(huán)路耦合進電路中的噪聲，使用探頭自帶的接地彈簧來接地；
將探頭的衰減與示波器 CH1 的探頭比都設為 X1，減小示波器的噪聲干擾；
示波器的通道耦合方式選擇交流，可以將直流電壓隔離，方便信號觀測；
分析類型選擇紋波，打開 CH1 的峰峰值測量，可得到測量的紋波電壓峰峰值。
戳視頻，快速了解如何測試電源紋波
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操作要點
探頭的選擇?
對于電源質(zhì)量測試的電壓探頭，需要選擇高壓差分探頭。不可以使用單端探頭進行測試。因為 AC 電源的零線與負載及火線構(gòu)成電流回路，而示波器探頭地線與電源地線連接，如使用單端探頭連接市電，相當于將零線與大地短路，這樣會增大共模干擾，而且可能會造成短路導致器件燒損。電流探頭需要進行消磁和調(diào)零，避免初始數(shù)值誤差對實際電流測量結(jié)果造成的影響。
相位校正?
在進行電源的電壓與電流測試前，一定要進行通道相位校正。因為一旦電壓測試通道與電流測試通道本身存在相位差，會導致實際相角的測試錯誤，最終導致有功功率、無功功率及 PF 功率因數(shù)的測量錯誤。因為初始通道的相位誤差會帶入到最終電壓與電流的相位角φ測試結(jié)果中，而有功功率與功率因數(shù)的測量計算結(jié)果都是跟相位角φ相關，所以也會導致測量結(jié)果的誤差。
視在功率與有功功率的關系
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總結(jié)
本文介紹了開關電源質(zhì)量、功率效率及紋波的影響及測試?；谑静ㄆ髋c直流電子負載，即可快速完成需要使用功率分析儀及復雜的軟件操作才能進行的電源產(chǎn)品的質(zhì)量測試?？梢源蟠蠊?jié)省測試的成本。
對于完成電源質(zhì)量與效率、紋波的測試所需的設備推薦如下
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