开关电源的最大效率验证和检定

为保证在可接受的折衷方案下达到最佳效率，验证和检定开关电源（SMPS）的设计是十分重要的。可通过下列方式完成：测定开关功率损耗和磁功率损耗来确定电源效率；测定电源质量和谐波掌握电源线路上的开关电源的作用。

　　电力系统的最大能量损耗通常发生在AC/DC和DC/DC电源的功率转换期间。基本上每个设计都会优先考虑节能，因此转换功率在80%到90%之间的开关电源成为主流。理想状态下，所有电源都按照数学模型工作。然而，在现实世界中却存在着各种问题，例如：部件存在缺陷、负载变化不定、线路功率失真和环境频繁变化。为保证在可接受的折衷方案下取得最佳效率，关键是要验证和检定开关电源的设计。要完成这些任务，通常需要测定开关功率损耗和磁功率损耗来确定开关电源的效率，还要测定电源质量和谐波掌握电源线路上的开关电源的作用。

　　测量开关损耗

　　开关电源中的开关晶体管切换速度快，最大程度地减少了能量损耗。对于开关电源来说，开关晶体管在开或关状态下少量散热时损耗的能量最多。在切换期间发生能量损耗，这是因为储存在二极管的电能以及储存在寄生电感和寄生电容的电能被释放出来。“关断损耗”是指设备从开到关过程中的损耗。“关断损耗”同样也指开关设备从关到开过程中的能量损耗。下面是计算切换过程中产生的能量损耗的公式：

　　式中：ETRANSITION指开关在切换过程中产生的能量损耗；vA(t)指开关的瞬时电压；iA(t)指开关的瞬时电流；t1指切换完成的时间；t0指切换开始的时间。

　　整个开关周期发生的总能量损耗由接通开关损耗、关断开关损耗和导电损耗构成。下面是总损耗的计算公式：ELOSS=ETURN-ON+EON+ETURN-OFF。式中：ELOSS指开关周期内晶体管的能量损耗；ETURN-ON和ETURN-OFF均为开关损耗；EON指导电损耗。

　　分析上述损耗对检定电源、估计其效率是必要的，可采用示波器测开关损耗（图1）。使用带有专业功率分析软件的示波器，可测出多开关周期的开关损耗和导电损耗，从而确定设备在不同时间的特性。从测量统计数据中，可观察到测量结果的变化情况。要准确的测出接通损耗和关断损耗是一项挑战，因为损耗只在短时间内发生，在开关周期剩下的时间里是极少出现的。测定上述损耗需要对电压波形和电流波形进行精确的计时，而且测量系统的偏差要达到最小。

图1 带有专业功率分析软件的示波器

　　图1 带有专业功率分析软件的示波器可显示多开关周期的开关损耗和导电损耗，从而确定设备在不同时间的特性 图2 可用带有功率分析软件的示波器功率损耗测单绕组电感器的功率损耗。通道1（$轨迹）是电感器上的电压，通道2（蓝色轨迹）是用非插入式电流探针测得的通过电感器的电流。功率测量软件自动计算功率损耗，并以图的形式显示出来（278.1 mW）

　　测量磁功率损耗

　　电感器和互感器通常功率损耗都比较小，常被开关电源用来滤波和改变电压电平。电感器的阻抗随频率的升高而增大，阻止的高频率比低频率多。这种特性对电源输入输出的滤波有利。

　　互感器将初级绕组的交流电压和交流电流耦合到次级绕组，使电压或电流（其中一种）的信号电平增大或减小。互感器初级可接受120V的电压，通过按比例增大次级的电流，使次级的电压降到12V。互感器的初级和次级采用的不是电气连接，在电路元件之间还是需要隔离。

　　磁功率损耗影响电源的效率、可靠性和热性能。与磁性元件相关的功率损耗有两种：铁芯的铁耗和铜绕组的铜耗。磁损耗等于铁耗和铜耗之和。其中，铁耗由磁滞损耗和涡流损耗组成，铜耗则是铜绕组线的电阻引起的。

　　从磁芯卖方提供的数据表和带功率测量软件的示波器得出的结果可推导出总功率损耗和磁芯损耗。然后，通过这两个值计算出铜耗。知道功率损耗元件后，可弄清出磁性元件产生功率损耗的原因。

　　磁性元件总功率损耗的计算方法部分取决于被测元件的类型。被测设备可为单绕组电感器、多绕组电感器或互感器。图2所示为单绕组电感器的测量结果。通道1（$轨迹）是电感器上的电压，通道2（蓝色轨迹）是用非插入式电流探针测得的通过电感器的电流。功率测量软件自动计算功率损耗，并以图的形式显示出来（278.1 mW）。

图2 单绕组电感器的测量结果

　　为达到最佳性能，设计者一般利用从厂商处获得的磁滞曲线来指定磁性元件。在特性曲线中规定了磁性元件磁芯材料的性能范围。为保证运行过程中工作电压和工作电流保持在磁滞曲线的线性区域内，有必要对开关电源内的磁性元件进行检定。采用专用功率测量软件，可以大大的简化用示波器测定磁性的步骤。很多时候，只需测出电压和励磁电流，然后由软件来完成磁性测量的计算。磁性测量可在单绕组电感器上进行，也可在配有初级电流源和次级电流源的互感器上进行。

　　图3 本图所示为互感器的磁滞曲线图，通道1（$轨迹）是互感器电压，通道2（蓝色轨迹）是初级电流，通道3（金色轨迹）是次级电流。软件根据来自通道2和通道3的数据来确定励磁电流

图3 互感器的磁滞曲线图

图4 在没有两根探针偏斜校正的情况下测出的结果（5.141W）