开关电源基础.ppt
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1、开关电源测试开关电源测试基础知识基础知识泰克中国分销业务部1大家好开关电源基础开关电源基础4什么是开关电源4常见开关电源拓扑结构0Flyback(反激)0Boost(正激)0Half-Bridge(半桥)0Bridge(全桥)4开关电源的主要部分(AC-DC)0输入整流滤波0输出整流0开关电路0电感(变压器)0控制部分4开关电源测试举例0荧光灯电子镇流器0APFC有源功率因数校正电路2大家好电源的分类和作用电源的分类和作用4根据电源的输入和输出类型分类:根据电源的输入和输出类型分类:0AC-DC,DC-DC,DC-ACAC-DC,DC-DC,DC-AC4电源的作用,例如电源的作用,例如 AC-
2、DCAC-DC电源:电源:0整流:将输入交流信号转换为直流信号0电压转换:输出要求的电压幅度0滤波:将输入整流的电压进行平滑0调整:控制输出电压使得幅度恒定0隔离:将输入与输出部分进行电气隔离0保护:防止浪涌等有害电压到达输出部分,造成设备损坏4理想的电源:0提供稳定,平滑的输出电压,无论输入,负载或者环境温度如何变化,并且有100的能量转换效率 3大家好电源的外部性能指标电源的外部性能指标4功率,电流,电压功率,电流,电压4保护功能保护功能4安全性能安全性能0ClassI,通过基本的绝缘或者保护地实现电气安全0ClassII,通过增强的加倍的绝缘实现电气安全0ClassIII,通过SELV电
3、路提供保护,不会产生有害的电压4电磁兼容标准电磁兼容标准4大家好线性电源线性电源5大家好4开关电源输出电压开关电源输出电压开关电源开关电源 脉冲宽度调制的基本概念脉冲宽度调制的基本概念6大家好开关电源开关电源 典型的开关电源原理框图典型的开关电源原理框图整流整流桥桥输入输入滤波滤波直流变换器直流变换器脉宽调制脉宽调制7大家好为什么使用开关电源为什么使用开关电源8大家好线性电源和开关电源线性电源和开关电源9大家好开关电源的拓扑结构开关电源的拓扑结构4反激变换器(Flyback)4正激变换器(Forward)4升压变换器(Boost in PFC)4半桥变换器(Half Bridge)4全桥变换器
4、(Full Bridge)10大家好反激变换器(Flyback)4开关管开关管Q导通,副边感应电位使得导通,副边感应电位使得D1截至,原边电流线性截至,原边电流线性上升上升4开关管开关管Q截止,原边电流为截止,原边电流为0,变压器储存的能量通过副,变压器储存的能量通过副边释放,边释放,D1导通,并逐步降低导通,并逐步降低11大家好反激变换器(Flyback)4反激变换器使用元件最少,最反激变换器使用元件最少,最简单经济简单经济4输出功率比较小,输出纹波大输出功率比较小,输出纹波大4单端反激变换器的工作分为连单端反激变换器的工作分为连续和非连续续和非连续2种工作模式,图示种工作模式,图示为非连续
5、模式,输出不能空载为非连续模式,输出不能空载4开关管开关管2端最大电压为:端最大电压为:12大家好反激变换器(Flyback)4连续工作模式连续工作模式13大家好反激变换器主要部分典型波形4通道通道1:VDS4通道通道2:V副边副边4通道通道3:IDS4通道通道4:I副边副边14大家好降压变换器(Buck)15大家好16大家好升压变换器升压变换器(Boost)常用于)常用于PFC电路电路17大家好18大家好正激变换器正激变换器(Forward)19大家好半桥变换器(Half Bridge)20大家好全桥变换器(Full Bridge)21大家好开关电源及其测量问题输入电路部分开关电源及其测量问
6、题输入电路部分40KHzCLOCKLNGDSG有功功率有功功率视在功率视在功率功率功率 因数因数电流谐波电流谐波总谐波失总谐波失真真(THD)22大家好市电输入整流滤波电路市电输入整流滤波电路23大家好市电输入整流滤波电路市电输入整流滤波电路24大家好市电输入整流滤波电路的测量问题市电输入整流滤波电路的测量问题4视在功率(视在功率(Apparent Power)4有功功率(有功功率(True Power)4功率因数(功率因数(Power Factor)4波峰因数(波峰因数(Crest Factor)4总谐波失真(总谐波失真(Total Harmonic Distortion)4电磁兼容问题,按
7、照电磁兼容问题,按照EN61000-3-2进行一致性测试进行一致性测试25大家好功率定义功率定义 -综述综述4有多少种功率定义?有多少种功率定义?0IEEE技术词典中列出了十多种不同的功率定义技术词典中列出了十多种不同的功率定义0两种最常用的功率类型两种最常用的功率类型4视在功率视在功率4平均功率(亦称真值功率、有功功率)平均功率(亦称真值功率、有功功率)0其他的功率其他的功率4无功功率无功功率4谐波功率谐波功率4瞬时功率瞬时功率26大家好功率定义功率定义 -视在功率视在功率4数学定义:数学定义:Papp=Urms*Irms Urms 是电压的有效值,是电压的有效值,Irms是电流的有效值是电
8、流的有效值 简单地说,只要分别测量出电压和电流有效值,即可计算出视在功简单地说,只要分别测量出电压和电流有效值,即可计算出视在功率,单位用率,单位用VA表示。表示。27大家好功率定义功率定义 -平均功率(一)平均功率(一)4平均功率是工程师最常用的名称,也称有功功率或真值功率平均功率是工程师最常用的名称,也称有功功率或真值功率4数学定义:数学定义:0对于正弦交流电路对于正弦交流电路Pavg=Urms*Irms*Cos(U,I)Urms 是电压的有效值,是电压的有效值,Irms是电流的有效值,是电流的有效值,Cos(U,I)是正弦交流电压与电流的相位角是正弦交流电压与电流的相位角0对于非正弦交流
9、电路对于非正弦交流电路 Pavg=Un 是包含了谐波电压的电压测量值是包含了谐波电压的电压测量值 In 是包含了谐波电流的电流测量值是包含了谐波电流的电流测量值与上面定义区别在于:包含了与上面定义区别在于:包含了n的高次谐波,使用了离散的计算方法。的高次谐波,使用了离散的计算方法。可以看出,这是需要大量的反复运算的,这是为什么工程师喜欢可以看出,这是需要大量的反复运算的,这是为什么工程师喜欢TDS3000B示波器的数学运算功能的原因。示波器的数学运算功能的原因。28大家好功率定义功率定义 -平均功率(二)平均功率(二)4另一个平均功率的定义是等效直流电阻中的另一个平均功率的定义是等效直流电阻中
10、的“热能热能”的定义,这的定义,这是个更容易理解的概念是个更容易理解的概念 P=I*I*R4平均功率的重要性:平均功率的重要性:0对于象灯泡,加热器等电阻负载,平均功率的测量和计算是对于象灯泡,加热器等电阻负载,平均功率的测量和计算是很方便的,但是,这样的计算不适用于非线性负载。很方便的,但是,这样的计算不适用于非线性负载。0现代的电子技术应用中,开关电源、电子整流器,空调控制现代的电子技术应用中,开关电源、电子整流器,空调控制系统,感应或脉冲调制马达等等都使用了非线性技术,这样,系统,感应或脉冲调制马达等等都使用了非线性技术,这样,在设计,故障诊断和分析中都需要进行非线性负载的平均功在设计,
11、故障诊断和分析中都需要进行非线性负载的平均功率测量。率测量。29大家好功率因数功率因数4有功功率有功功率 Urms*Irms*Cos(U,I)pF(功率因数)视在功率30大家好波峰因数(波峰因数(Crest Factor)4被测波形峰值与该波形的均方根值之比。被测波形峰值与该波形的均方根值之比。4纯正弦波的峰值系数是纯正弦波的峰值系数是1.414()4也称为峰值因数也称为峰值因数(Peak Factor)31大家好总谐波失真总谐波失真 (THDTHD)4交流量中,畸变含量的方均根值对基波分量的方均根值之百分比。交流量中,畸变含量的方均根值对基波分量的方均根值之百分比。f0f2f3f4f5f13
12、2大家好测例测例-通讯电源输入功率测量通讯电源输入功率测量这是个通讯电源输入的测例:这是个通讯电源输入的测例:为了得到视在功率,我们将测量到的有为了得到视在功率,我们将测量到的有效值相乘,得到效值相乘,得到视在功率视在功率=120.8 V*1.108A=133.8 W为了得到有效功率,我们使用为了得到有效功率,我们使用TDS3000B的数学运算(的数学运算(Math)按钮,对按钮,对电压和电流的波形电压和电流的波形“逐点逐点”相乘,得到相乘,得到有效功率有效功率=88.0 W。注意,这里使用的是。注意,这里使用的是相乘后的相乘后的“平均值(平均值(Mean)”而不是而不是“有有效值效值(RMS
13、)”来得到有效功率,这是根据来得到有效功率,这是根据前面所叙述的平均功率的定义来的。前面所叙述的平均功率的定义来的。这样,我们很容易的得到该设备的功率这样,我们很容易的得到该设备的功率PF=88.0 W/133.8 W=0.66,从而从而为设计功率校正电路为设计功率校正电路PFC提供数据。提供数据。TDS3000BTDS3000B的功率测量功能的功率测量功能33大家好测例测例 -功耗测量功耗测量4通过面积测量得通过面积测量得到一定时间的功到一定时间的功耗,如图中测得耗,如图中测得在在121秒内功耗为秒内功耗为约约58Ws.4测量电池供电设测量电池供电设备的功耗曲线备的功耗曲线TDS3000BT
14、DS3000B的自动面积测量能力的自动面积测量能力34大家好功率:三相功率测量功率:三相功率测量4对三相电路的功率测量对三相电路的功率测量-双功率计法双功率计法不同于不同于“双功率计双功率计”法的名称,实际测量中只需要一法的名称,实际测量中只需要一台台TDS3000B示波器即可,电压测量的公共端接在三示波器即可,电压测量的公共端接在三相中的任意一相,比如相中的任意一相,比如B 相,然后测量相,然后测量B相同相同A相和相和C相的电压差以及相的电压差以及A相和相和C相的电流。相的电流。Wtotal=W1+W24对三相电路的功率测量对三相电路的功率测量-单路法(适用平衡负载)单路法(适用平衡负载)通
15、过一台通过一台TDS3000B示波器,测量出平衡负载的一相示波器,测量出平衡负载的一相的的RMS电压和电压和RMS电流,乘上电流,乘上1.732即可的到三相的即可的到三相的全部功率全部功率4需要注意的问题:电压探头的接地需要注意的问题:电压探头的接地 电流探头的方向电流探头的方向35大家好练习练习1:功率测量:功率测量4测量电流和电压,不使用测量电流和电压,不使用TDSPWR3软件,只是应用软件,只是应用TDS5000B的计算和测量功能,得到功率测量值。的计算和测量功能,得到功率测量值。36大家好电磁兼容问题电磁兼容问题4辐射标准辐射标准4高频辐射标准高频辐射标准4低频辐射标准低频辐射标准0电
16、流谐波标准电流谐波标准EN61000-3-237大家好谐波:谐波定义谐波:谐波定义-非线性负载非线性负载4非线性负载非线性负载0什么是非线性负载:当加入正弦电压产生非正弦电流什么是非线性负载:当加入正弦电压产生非正弦电流0非线性负载的类型非线性负载的类型4电感电感-由于饱和的影响由于饱和的影响4SCR可控硅控制电路可控硅控制电路4AC/DC电路电路4 0非线性负载的影响非线性负载的影响4热损耗热损耗4输入电压波形畸变输入电压波形畸变4高频谐振高频谐振38大家好谐波:谐波定义谐波:谐波定义-谐波的数学计算谐波的数学计算4对任一信号,可以进行对任一信号,可以进行FFT运算,进行以下分解:运算,进行
17、以下分解:A(t)=A0+A1sin(t+1)+A2sin(2 t+2)+A3sin(3 t+3)+0,2,3 :谐波频率谐波频率0A0:直流分量直流分量0A1:基波:基波0A2,A3,:谐波:谐波4所以,谐波分析的本质在于所以,谐波分析的本质在于FFT功能功能4分析的内容分析的内容0谐波频谱谐波频谱0各次谐波的含量各次谐波的含量0谐波失真度谐波失真度39大家好谐波:谐波测例谐波:谐波测例-输入电压谐波分析输入电压谐波分析通过通过TDS3000BTDS3000B的快速傅立叶的快速傅立叶分析功能,可以很容易地将分析功能,可以很容易地将所需要分析的频谱、谐波含所需要分析的频谱、谐波含量、失真度读出
18、。量、失真度读出。TDS3000BTDS3000B的的FFTFFT测量功能测量功能40大家好4可以看出,由于波形可以看出,由于波形的对称性,频谱分析的对称性,频谱分析的记过主要是奇次谐的记过主要是奇次谐波的成分波的成分4由于由于FFT的分析频率的分析频率范围是采样率的一半范围是采样率的一半决定的,而分析的步决定的,而分析的步长解析度又是采样率长解析度又是采样率和内存共同决定的,和内存共同决定的,所以,选择合适的采所以,选择合适的采样率成为样率成为FFT运算的运算的关键因素。关键因素。4TDS3000B最高到最高到5G/s.谐波:谐波测例谐波:谐波测例-输入电流谐波分析输入电流谐波分析TDS30
19、00BTDS3000B的的FFTFFT测量功能测量功能41大家好EN61000-3-2&AM144电流谐波标准电流谐波标准0EN61000-3-24老的测量流程老的测量流程4定义不够清楚定义不够清楚0EN61000-3-2 AM144改写了改写了EN61000-3-2 标准中不清楚的地方标准中不清楚的地方42004年一月欧洲将开始实施年一月欧洲将开始实施4应该适用哪个标准:应该适用哪个标准:0两者都可以两者都可以4泰克的泰克的TDSPWR3二种标准都可以支持二种标准都可以支持42大家好EN61000-3-2标准(标准(IEC1000-3-2)4电流谐波标准电流谐波标准4原标准:原标准:EN60
20、555-2(IEC555-2)43大家好电子产品的分类电子产品的分类 4A类设备类设备电机驱动设备,家用电器,三相设备电机驱动设备,家用电器,三相设备4B类设备类设备所有直接所有直接220Vac50Hz供电的便携式电动工具供电的便携式电动工具 4C类设备类设备所有照明设备所有照明设备=25watts4D类设备类设备PCs,PC 显示器,电视,功率显示器,电视,功率75W到到600W AM14中电流波形模板测试被去掉。中电流波形模板测试被去掉。44大家好实验实验2:使用:使用TDSPWR3的输入测量功能的输入测量功能4测量输入信号的各项参数测量输入信号的各项参数4按照按照EN6100032 测量
21、谐波测量谐波45大家好PFC有源功率因数校正电路的作用有源功率因数校正电路的作用46大家好电流模式的有源功率因数校正电路(电流模式的有源功率因数校正电路(APFC)4通过控制扼流圈LE的快速能量存储与释放,使得平均输入电流跟踪输入线路4在输入90260V输入电压范围内,输出稳定在400VDC4功率因数可以达到0.95to0.9947大家好应用文章和测试案例(应用文章和测试案例(APFC)48大家好开关电源及其测量问题开关电源及其测量问题 DC 输出部分输出部分40KHzCLOCKLNGDSGDC输出部分输出部分输出纹波输出纹波49大家好输出纹波测量输出纹波测量4低频纹波:工频的2倍频(100H
22、z)4高频纹波:脉宽调制开关电路带来的纹波4开关噪声:与PWM信号同频的噪声4随即噪声:工频或者开关频率相关的噪声50大家好输出纹波测量输出纹波测量4纹波的测量一般使用峰峰值4一般使用20MHz带宽的示波器进行测量4纹波的典型值是输出电压的1251大家好输出纹波测量输出纹波测量 方法方法14如果要带载测试,必须使用示波器探头时,必须注意:0尽量减少示波器探头接地线的影响(使用BNC到探头尖转换或者至少拔掉探头帽,去掉探头地线0需要并联0.1uF电容0示波器良好接地0测量共模噪声大小52大家好输出纹波测量输出纹波测量 方法方法24测量结果应该X24示波器良好接地4电容C为低ESR型,不小于10u
23、F53大家好输出纹波测量输出纹波测量 专门的测试夹具专门的测试夹具4比如,特制的测试盒,测试板4BNC测试线等54大家好实验实验3:纹波测量:纹波测量4测量纹波,并尝试不同方法测量纹波,并尝试不同方法55大家好4Nortel announces Power over Ethernet Switch4IEEE Ratifies POE standard IEEE802.3af4Organizations working on POE0Delta Power,Taiwan0PowerDsine,Israel0Nortel0CiscoPower Over Ethernet(POE)56大家好Powe
24、r Over Ethernet4Test Points0At power supply output point0RJ45 connector end57大家好4Power Over Ethernet0Measure ripple over range of frequency bandMeasurements in Power over EthernetFrequencyRippleandNoiseLimit(mVpk-pk)500Hz50020KKz-150KHz200150Khz-500KHz150500Khz-1000KHz5058大家好4Result of Spectral Anal
25、ysisMarkerSpectral Analysis in TDSPWR359大家好开关部分:开关管的类型开关部分:开关管的类型4双极性(双极性(BJT)4MOSFET4IGBT60大家好开关管的损耗开关管的损耗4开关管的损耗是整个电源中最大部分的损耗4开关管是整个电源中最”脆弱“的部分4损耗会以发热的形式表现 4损耗主要有2部分:0开关损耗4发生在电压从导通到截至而电流从截至到导通的瞬间,电流和电压相乘得到0传导损耗4在导通时由于导通电阻得到VdsIdsPdsT1T2T3T4TimeTon 损耗损耗Toff 损耗损耗传导损耗传导损耗61大家好开关管:开关管:BJTBJT4Bipolar J
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