電源質量與效率分析測試

隨著眾多新品手機快充技術的應用，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轉換效率，使得充電器可以更小巧， 更節能環保。在電動車，便攜電子設備中得到的愈加廣泛的應用。

在開關電源類產品的開發設計過程中，電源的轉換效率、輸出電壓紋波和電源電能質 量都是直接影響開關電源質量的關鍵因素。

電源電能質量

電源電能質量是電源測試中的基本測試項，是標定電源工作參數的測試依據。電 源電能質量主要包含了電壓有效值、電流有效值、功率因數及諧波等參數。

電源轉換效率

轉換效率就是電源的輸出功率與輸入功率的比值，是電源類產品的基本指標，開 關電源的設計首先需要考慮的是效率優化。 高電源轉化效率意味著電源產品的節能環保指標更高，同時也會降低用電費用， 對關注充電效率和節能環保的充電樁、光伏發電等一些高功率供電設備具有特別 重要的意義。

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 穩定性會直接影響驅動設備的工作穩定性。影響直流電源輸出電壓穩定性的指標 主要是紋波。紋波越小，直流電源輸出的電壓越穩定，波動越小。

原理描述/工作方式

開關電源的典型原理框圖如下：

電源的電能質量

如下參數為衡量開關電源電能質量的主要指標。我們在通過測試電源線上的電源 輸入及質量進行開關電源電能質量測試時，這些參數也是主要的測試項。

V_RMS：為供電交流電源的電壓有效值；

I_RMS：為開關電源工作狀態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 轉化為機械能和熱能。單位為 VAR；

PF 功率因數：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。功率因數越低，代表無功功率越大。除了電感電容等元器件產生的無功功率，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，交流供電線路電 壓與電流的相位差。

電源的轉換效率

開關電源轉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，電壓不能馬上變為 0， 而電流已經開始上升；在關閉瞬間，電流不能馬上變為 0，而電壓已經上升。所 以會產生開關損耗。

優化電路設計，選擇具有理想開關特性的功率器件或者軟開關等技術，可以有效 降低開關損耗，提高開關電源的轉換效率。

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。

開關電源電路中產生的諧波會影響負載及電網中其他用電設備的正常工作。

電源轉紋波測試環境搭建

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 DS8104 示波器的 CH1；

執行電源紋波測量

1. 示波器要選擇 20MHz 的帶寬限制；

2. 為避免由探針與地線形成的類天線環路耦合進電路中的噪聲，使用探頭自帶的接 地彈簧來接地；

3. 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； 4. 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； 5. 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。

操作要點

探頭的選擇

應選擇高壓差分探頭作為電源質量測試的電壓探頭，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。

消磁和調零

電流探頭需要進行消磁和調零，避免初始數值誤差對實際電流測量結果造成的影 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。 由于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 測試結果中，而有 功功率與功率因數的測量計算結果都是跟相位角 φ 相關。所以一旦電壓測試通道 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 功率因數的測量錯誤。

總結

使用示波器與直流電子負載即可快速完成電源產品的質量測試，替代了之前使用功率分析儀及復雜軟件操作才能進行的電源質量測試方法，大大節省測試的成本。

對于完成電源紋波的測試所需的設備推薦如下：