更快、更小、更節(jié)能，開關(guān)電源迎來(lái)測(cè)試挑戰(zhàn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）作為電子設(shè)備中的重要組成部分，開關(guān)電源主要用于將輸入電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的電壓和電流。其特點(diǎn)在于高效率、小型化、穩(wěn)定性強(qiáng)等，已成為當(dāng)前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。而在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，開關(guān)電源不僅負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換和管理，而且還提供了必要的保護(hù)機(jī)制，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

正是由于在儲(chǔ)能中的重要位置，因此給開關(guān)電源進(jìn)行綜合測(cè)試至關(guān)重要?？梢源_保其在各種條件下都能可靠、高效地運(yùn)行。這不僅提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能，還降低了運(yùn)營(yíng)成本，并確保了用戶的滿意度和安全。

開關(guān)電源已成市場(chǎng)主流

1955年，美國(guó)人GH . Roger發(fā)明了自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，首創(chuàng)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，為開關(guān)電源的研制打下理論基礎(chǔ)。到了20世紀(jì)70年代，第一代民用標(biāo)準(zhǔn)化開關(guān)電源誕生，并在隨后十幾年間成為了符合全球通用規(guī)格的開關(guān)電源。其采用PWM技術(shù)的MOSFET開關(guān)整流器，開關(guān)頻率均在50kHz左右。

當(dāng)前開關(guān)電源已經(jīng)形成了完善的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，上游主要為開關(guān)電源IC芯片制造，中游電源制造商根據(jù)其掌握的不同水平的電源制造專業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)能力為下游客戶提供不同技術(shù)水平、類型的電源產(chǎn)品，下游主要為行業(yè)用戶，儲(chǔ)能便是其中之一。

據(jù)市場(chǎng)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，2023年開關(guān)電源市場(chǎng)規(guī)模約為3947億元，較上年增長(zhǎng)26.95%。公開數(shù)據(jù)顯示，從開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，目前我國(guó)的開關(guān)電源主要集中在工業(yè)領(lǐng)域，占比達(dá)53.94%，其次為消費(fèi)電子領(lǐng)域，占比達(dá)33.05%。二者合計(jì)占比超過(guò)85%以上，行業(yè)需求領(lǐng)域集中度非常高。

2024年的市場(chǎng)分析報(bào)告顯示，開關(guān)電源行業(yè)呈現(xiàn)高頻化、小型集成化、節(jié)能低碳環(huán)保等發(fā)展趨勢(shì)，并且預(yù)計(jì)隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，開關(guān)電源將繼續(xù)作為電源市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，以儲(chǔ)能行業(yè)為例，開關(guān)電源主要朝著高頻化技術(shù)發(fā)展、數(shù)字化技術(shù)發(fā)展、低輸出電壓技術(shù)發(fā)展、模塊化技術(shù)發(fā)展、小型集成化趨勢(shì)這五個(gè)方面發(fā)展。

比如高頻化，開關(guān)變換器的開關(guān)頻率已經(jīng)比以往有較大程度的提高。隨著頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也在不斷減少，為開關(guān)電源技術(shù)的不斷完善提供了機(jī)遇。但同時(shí)，高頻化開關(guān)技術(shù)也加速了開關(guān)內(nèi)部元器件的損耗程度，并可能引發(fā)一系列問題。

此外，在數(shù)字化上，對(duì)于傳統(tǒng)開關(guān)電源而言，模擬信號(hào)對(duì)控制部分的工作起到引導(dǎo)作用。目前，數(shù)字化控制已經(jīng)是絕大部分設(shè)備所采用的控制方式，而開關(guān)電源同樣也是數(shù)字化技術(shù)今后應(yīng)用的主要領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，數(shù)字化電源技術(shù)的研究已經(jīng)成為科研人員攻關(guān)的主要方向，并且也取得了很多科研成果，這無(wú)疑對(duì)推動(dòng)開關(guān)電源數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

而在現(xiàn)階段，對(duì)于微型處理器以及便攜電子設(shè)備而言，其工作電壓的穩(wěn)定程度對(duì)于設(shè)備的使用有著關(guān)鍵作用，所以要求今后半導(dǎo)體裝置變換器可以用更低的電壓來(lái)確保微型處理器以及電子設(shè)備得以高質(zhì)量的工作。

開關(guān)電源的測(cè)試挑戰(zhàn)

作為電器產(chǎn)品中的核心，開關(guān)電源在產(chǎn)品中承擔(dān)著重要職責(zé)，也意味著對(duì)開關(guān)電源的要求會(huì)更高，這也提出了更高的測(cè)試挑戰(zhàn)。

比如變壓器的飽和現(xiàn)象，在高壓或低壓輸入、輕載、重載、容性負(fù)載、輸出短路、動(dòng)態(tài)負(fù)載和高溫等條件下，通過(guò)變壓器的電流可能呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。這種非線性增長(zhǎng)可能導(dǎo)致電流峰值難以預(yù)測(cè)和控制，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)管過(guò)壓損壞。

此外，對(duì)于PWM開關(guān)電源而言，如果相位點(diǎn)抖動(dòng)過(guò)大，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。特別是在200kHz至500kHz的工作頻率范圍內(nèi)，典型的抖動(dòng)值應(yīng)低于1納秒。

還需要進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)（OVP）和過(guò)流保護(hù)（OCP）測(cè)試，需要確保在過(guò)壓或過(guò)流情況下，電源能夠正確觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。例如，對(duì)于輸出電壓小于12V的情況，過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)通常設(shè)置為輸出電壓的1.8倍；而對(duì)于輸出電壓大于等于12V的情況，則設(shè)置為1.5倍。

還有對(duì)于開關(guān)電源的電源完整性（Power integrity，PI）測(cè)試，這是確認(rèn)電源來(lái)源及目的端的電壓及電流是否符合要求。如果是給高速數(shù)字電路供電的電源（例如筆記本電腦），需將電源的電能分配給不同電壓的工作器件，涉及到PDN（Power Distribution Network）的概念，因而電源完整性的測(cè)量對(duì)象其實(shí)是電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN。PI會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，包含電源設(shè)計(jì)和其他方面的內(nèi)容，沒有通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，解決起來(lái)比較復(fù)雜，但又很重要。

在測(cè)試峰值負(fù)載功率時(shí)，需要避免負(fù)載超過(guò)電源的額定功率，以防損壞電源。手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的方式既耗時(shí)又容易出錯(cuò)，因此自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)變得尤為重要。

而想要進(jìn)行完整測(cè)試，需要有示波器、EMI接收機(jī)、諧波閃爍分析儀、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、隔離變壓器、電子負(fù)載、交流電源、直流電源等。

比如示波器就是將信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整輸入信號(hào)（衰減或放大），以使其滿足ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍，其中ADC就是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值存放于采集存儲(chǔ)器中，然后計(jì)算機(jī)再對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件處理。

選擇好的示波器通常要看三項(xiàng)指標(biāo)，即帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度，帶寬是用來(lái)衡量一個(gè)示波器最大可以測(cè)多高頻率的信號(hào)，當(dāng)信號(hào)幅值下降為原來(lái)的0.707倍（-3db）時(shí)稱為示波器前端放大器幅頻特性曲線的截止頻率點(diǎn)，即示波器的（模擬）帶寬。

而采樣率則是在1秒的時(shí)間內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)采集的次數(shù)，單位為Sample/s簡(jiǎn)記為Sa/s，即每秒鐘采樣的次數(shù)。存儲(chǔ)深度為單次采集過(guò)程中，示波器可保存的離散采樣點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)，單位即pts（是points的縮寫）。

因此建議在測(cè)量開關(guān)管時(shí)，帶寬選擇100MHz，采樣率選25MSa/s，而測(cè)量電源紋波，則是20MHz，采樣率250MSa/s，測(cè)量電源噪聲，建議在500MHz，采樣率5GSa/s，而想要測(cè)量電源的電快速瞬變脈沖群（EFT），建議選1GHz，采樣率10GSa/s。存儲(chǔ)深度最好都在10Mpts以上。

小結(jié)

開關(guān)電源的測(cè)試不僅涵蓋廣泛的項(xiàng)目，且每個(gè)項(xiàng)目均有嚴(yán)格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)雜的方法，這對(duì)測(cè)試人員的專業(yè)能力和設(shè)備提出了較高要求。同時(shí)，通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試流程，確保了開關(guān)電源在各種極端條件下的安全性和穩(wěn)定性，為電子設(shè)備的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。