开关电源测试

开关电源测试 一、开关电源工作原理 1、开关电源是一种高频开关式的能量变换电子电路，常作为设备的电源供应器，常见变换 分类有：AC-DC、DC-DC、DC-AC 等。 2、开关电源原理框图 （1） 市电进入电源后，首先经过是最前级的 EMI 滤波电路部份，EMI 滤波的主要作用是 滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时还有减少开关电源本身对外界的电 磁干扰。实际上它是利电感和电容的特性，使频率为 50Hz 左右的交流电可以顺利 通过滤波器，而高于 50Hz 以上的高频干扰杂波将被滤波器滤除。 （2） 经过 EMI 滤波，所得到较为平整的正弦波交流电被送入前级整流电路进行整流， 整流工作都由全桥式整流二极管来担任。经过全桥式整流二级管整流后，电压全 部变成正相电压。不过此时得到的电压仍然存在较大的起伏，这就必须使用高压 滤波电容进行初步稳压，将波形修正为起伏较小的波形。 （3） 把直流电转化为高频率的脉动直流电，这一步由控制电路来完成。输出部分通过 一定的电路反馈给控制电路，控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例， 以达到稳定输出电压的目的。控制电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集 成电路。 （4） 把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压。再由二极管和滤波电容组 成的低压滤波电路进行整流和滤波就得到了设备上使用的纯静的低压直流电。 3、开关电源特点： （1） 开关电源是一种非线性电源，体积和重量轻。 （2） 功率晶体管工作在开关状态，晶体管上的功耗小，转化效率高。 二、开关电源测试方法 1、 测试项目：环路增益、输出阻抗、输出纹波、开关噪声等 2、 环路增益测试： 开关电源电路可以看作是一个简单的反馈控制系统 一个负反馈回路，闭环增益： ， ，当 GH=-1 的时候会产生自激(GH 称为开环增 益)。分解为:幅度条件：|GH|=1、相位条件：GH 的相位Φ=-180º 开环特性是一个很重要的参数，表征反馈系统的稳定性。通常用增益裕量和相位裕量来表示： 增益裕量：Φ=-180º时，0-Gain(dB) 相位裕量：Gain=0 时，Φ-（-180º） 通常用波特图来表示 在测试开环特性时，开关电源应工作在闭环状态，以保证系统状态的稳定。测试如下： （1）测试设备： 4395A、41802A*2（50ohm 到 1Mohm 转接头）、10441B*2（探头）、9100－0855（变压器） （2）测试框图： 开关电源的输出加电子负载；误差放大器的输入端通过 41802A 1 MΩ 输入适配器和 10441B 探头连接到4395A的 R端口上；开关电源输出通过41802A和 10441B连接到4395A的 A端口； 4395A 的射频输出通过变压器加到误差放大器的输入和开关电源输出端。R 通道用来测量注 入到环路的信号，A 通道用来测量环路的输出信号。A/R 就是环路的开环特性。为保证测量 的准确，在测试之前需要进行直通校准。 （3） 测试中的注意事项： A、为了将射频能量有效注入到被测件，变压器的阻抗不能明显低于 4395A 射频输出端口阻 抗（50ohm）；变压器在测试频率范围内不能有谐振点，应该表现出感性，以有效注入信号。 对变压器特性的测试可以用阻抗分析仪和 16047E 测试夹具： B、4395A 的射频输出信号即不能太大也不能太小，信号太小测到都是噪声，太大则反馈回 路饱和。信号的大小取决于变压器，饱和情况取决于每一个开关电源，以此没有一个固定值。 可以在测量的时候改变激励功率，看 A/R、A、R 来确定一个合适的激励功率。 （4）测试结果读取： A、通常会在 full load、half load、zero load 几种情况下测量； B、相位要在 unwrap 下读取 C、增益裕量：A/R 的相位为 0 时的环路增益 相位裕量：环路增益为 0dB 时相位值 如上图：相位裕量是 67.4º，在 580Hz（线 A）；增益裕量是 38.1dB，在 18.6KHz（线 B） 此时的增益裕量和相位裕量的读取方法和原理部分介绍时略有不同，原因在于：在测量时 A/R 中包含误差放大器（不仅仅是 GH），有 180 度的反向变化。 （5） 环路增益测试对测试设备的要求： 对测试设备要求 4395A(网络分析仪) 频率覆盖范围从 10Hz 到 50KHz 或者更高 频率范围从 10Hz 到 500MHz 窄带宽 IFBW 2Hz 到 30KHz 高频率分辨率 测试点数：2 到 801；频率分辨率：1mHz 对数扫描 扫描方式：对数扫描 增益和相位模式 Format: LogMag and Phase Marker功能-最少4个（每个裕量2个）或者Delta-Marker 8个Marker和Delta-Marker 小激励功率 输出功率-60dBm到20dBm 3、 输出阻抗 （1）测试设备： 4395A、41802A*2（50ohm 到 1Mohm 转接头）、10441B*2（探头）、9100－0855（变压器） （2）测试框图： A/R lin MAG 为测试结果。为了保证测试的准确，需要在测试前进行直通校准。 （3）测试中需要注意的问题：为了防止从开关电源上有直流电输出到 T1 上，将电容 C 放到 +out 和 T1 中间。T1 的阻抗在测试的频率范围内应该小于几个欧姆，推荐 470uF。 （4）测试结果： (5)输出阻抗测试对测试设备的要求 对测试设备的要求 4395A(网络分析仪) 频率范围从 100Hz 到 100KHz 甚至更宽 频率范围从 10Hz 到 500MHz 高频率分辨率 测试点数：2 到 801；频率分辨率：1mHz 对数扫描 扫描方式：对数扫描 Marker 功能 8 个 Marker Pass/Fail功能 内置的极限线功能用于Pass/Fail测试 4、 电源输出波动，开关噪声测试 （1） 测试设备：4395A、41802A（50ohm 到 1Mohm 转接头）、10441B（探头） （2） 测试框图 使用频谱仪模式来观察输出信号的特性 （3） 测试结果 （4） 电源输出波动，开关噪声测试对测试设备的要求 对测试设备的要求 4395A(频谱分析仪) 宽频率覆盖范围 频率范围从 10Hz 到 500MHz 窄带宽，测试速度快 IFBW：1Hz 到 1MHz（窄 IFBW 时测试速度也很快） 对数扫描 扫描方式：对数扫描 Marker 功能 8 个 Marker Pass/Fail 功能 内置的极限线功能用于 Pass/Fail 测试