開關(guān)電源中開關(guān)管的功耗如何測量分析

從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關(guān)電源，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復(fù)雜、動態(tài)的工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是日常使用的開關(guān)電源，也要能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其平均工作電平的瞬間峰值。設(shè)計(jì)電源或系統(tǒng)中要使用電源的工程師需要了解在靜態(tài)條件以及最差條件下電源的工作情況。

了解這些影響的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是在開關(guān)過程中發(fā)生的功率損耗。理想情況下，開關(guān)器件打開(on)和關(guān)閉(off)是沒有損耗的。實(shí)際情況是：在從“off”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“on”狀態(tài)的過程中，電源會發(fā)生較高的功率損耗；而開關(guān)設(shè)備處于“on”或“off”狀態(tài)時(shí)的功率損耗較低，因?yàn)榱鬟^設(shè)備的電流或加在設(shè)備上的電壓相當(dāng)小。

過去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數(shù)字萬用表測量靜態(tài)電流和電壓，并用計(jì)算器或PC 進(jìn)行艱苦的計(jì)算。今天，大多數(shù)工程師轉(zhuǎn)而將示波器作為他們的首選電源測量平臺?，F(xiàn)代示波器可以配備集成電源測量和分析軟件，簡化了設(shè)置，并使得動態(tài)測量更為容易。用戶可以定制關(guān)鍵參數(shù)、自動計(jì)算，并能在數(shù)秒鐘內(nèi)看到結(jié)果，而不只是原始數(shù)據(jù)。

精確測量功率損耗的測試設(shè)置

圖1是開關(guān)電源簡化的電路圖。由40 kHz 時(shí)鐘驅(qū)動的MOSFET控制著電流。圖1中的MOSFET沒有連接到AC市電接地或電路輸出接地上，因此使用示波器進(jìn)行簡單的參考接地電壓測量有可能是行不通的，因?yàn)榘烟筋^的地線連接到任何MOSFET端子上有可能會使通過示波器接地的該點(diǎn)短路。這時(shí)借助差分電壓探頭是個(gè)比較好的方案。

圖1 開關(guān)電源簡化的電路圖

進(jìn)行差分測量是測量MOSFET電壓波形的最佳途徑。通過差分測量，可以測量漏極到源極電壓 (VDS)，其可能會位于幾十伏到幾百伏的電壓頂部，具體取決于電源范圍。

在開關(guān)電源中進(jìn)行任何功率損耗測量前，非常重要的一點(diǎn)是同步電壓信號和電流信號，消除傳輸延遲，這一過程稱為“偏移校正”。傳統(tǒng)方法要求計(jì)算電壓信號和電流信號之間的偏移，然后使用示波器的偏移校正范圍手動調(diào)節(jié)偏移。但是，這種方法耗時(shí)非常長。通過使用配備偏移校正夾具和相關(guān)軟件可以非常簡便的進(jìn)行校正操作。

計(jì)算開關(guān)管上的開關(guān)功率損耗

要計(jì)算開關(guān)管上的開關(guān)功率損耗，就必須要辨別開關(guān)管上的開關(guān)過程和導(dǎo)通過程。只有識別出具體的開關(guān)過程，才能準(zhǔn)確的計(jì)算。一個(gè)典型的開關(guān)管開關(guān)波形如下圖2所示。

圖2 開關(guān)管開關(guān)時(shí)波形

大部分功率和能量損耗出現(xiàn)在開關(guān)管開關(guān)過程，即開關(guān)管打開和關(guān)閉期間。切換過程中，開關(guān)管達(dá)到和退出飽和，并短暫地表現(xiàn)出線性特性。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)也會產(chǎn)生功率和能量損耗。此時(shí)，電壓為開關(guān)管最小飽和電壓，并產(chǎn)生電流。非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的損耗通常微不足道，理論上可視為零。通過使用相關(guān)的軟件，配合示波器可以自動測量一個(gè)開關(guān)周期的損耗。如圖3所示。

圖3 軟件計(jì)算開關(guān)功耗

在非導(dǎo)通狀態(tài)，電流非常的小，幾乎接近于0。在導(dǎo)通狀態(tài)，電壓非常小，由于示波器的垂直分辨率的原因，導(dǎo)致可能捕獲的到的信號不準(zhǔn)確，因?yàn)榉菍?dǎo)通狀態(tài)下，電壓值可以為幾百伏，為了采集到這么高的電壓，垂直每格分辨率可能到幾十到幾百V/div，而此時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)下，電壓可能就幾十毫伏。

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