开关电源的测量中安全性解决方案

前言

　　电源几乎对于每种外接电源的电子产品都必不可少，开关电源系统(SMPS)已成为数字计算、网络、通信系统中的主流结构。开关电源的性能(或者故障)就可能对一个昂贵的大型系统产生重要影响。

　　要确保即将实现的SMPS设计可靠性、稳定性、兼容性、安全性，测量是唯一的办法。SMPS测量分为三个主要部分：有源器件测量、无源器件测量(主要是磁性元件)以及电源质量测试。有些测量可能要面对浮动电压和强电流;有些测量需要大量数学分析，才能得到有意义的结果。电源测量可能很复杂,特别是开关电源系统测量中安全技术为引人注目什么呐?应先从当今开关电源(SMPS)技术发展趋势与开关电源没计中的挑战说起。

　　开关电源技术发展趋势的特点是：效率越来越高;功率密度越来越高;瞬时负荷;低电跃,高电流;宽带供电技术及符合EN6100003-4 A14标准。

　　开关电源没计中面对提升开关电源效率，降低开关损耗;最大限度地降低磁性器件的功率损耗;需要更快的控制环路响应。必须提高开关电源系统可靠性，要有海量数据分析并符合宽带技术标准;需要简便易用、可靠的工具，以及定位问题。

开关电源系统

　　大多数现代系统中主流的直流电源体系结构是开关电源系统，因为它能够有效地应对变化负载。典型SMPS的电能"信号通路"包括无源器件、有源器件和磁性元件。SMPS尽可能少地使用损耗性元器件(如电阻和线性晶体管)，而主要使用(理想情况下)无损耗的元器件：开关晶体管、电容和磁性元件。

　　SMPS设备有一个控制部分，其中包括脉宽调节器、脉频调节器以及反馈环路等。控制部分可能有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，图中显示了电能转换部分，包括有源器件、无源器件以及磁性元件。

图1 开关电源简化示意图

　　SMPS技术使用了金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)与绝缘栅双极晶体管(IGBT)等功率半导体开关器件。这些器件开关时间短，能承受不稳定的电压尖峰。同样重要的是，它们不论在开通还是断开状态，消耗的能量都极少，效率高而发热低。开关器件在很大程度上决定了SMPS的总体性能。对开关器件的主要测量包括：开关损耗、平均功率损耗、安全工作区等。

开关电源系统的安全测量

　　工业电源的安全测量应包括：测量高电压和高电流，测量三相电电路，处理浮动设备或具有不同接地的没备，检定数字控制电路，检定功率电子器件的瞬时功率分析、波形分析、相位角及开关损耗等均应符合行业标准和法定标准。

为什么不能使用传统示波器测量

　　以交流供电的传统示波器是以"地为参考点的测量"，其含义是：交流供电的示波器必须与地线相接，探头的地线与示波器所有通道的参考点相连，从而接到地电位。而传统交流供电示波器"差分浮地测量"危险!

　　我们测量的Vc-d=(Va-b+V地环路电压)-V地环路电压(共模)。

　　通过用切断标准三头AC插座地线的方法或使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。将示波器从保护地线浮动起来，以减小地环路的影响。这种方法其实并可行，因为在建筑物的布线中其中线也许在某处已经与地线相连。是不安全的测量方法，会带来人身伤害和仪器和电路损坏!

　　不能使用传统示波器测量技术的原因如下：

　　·分布电容和电感降对待测点带来超过100pf的感性负载，可能造成电路损坏!

　　故不可用剪断示波器接地线的方法迸行差分测量!也不可使用隔离变压器进行差分测量!

　　·分布电容和电感还可能带来原本没有的振铃! 见图2(a)所示。

图2a 寄生电感和电容引起振荡会使信号失真，导致测量无效。

　　·示波器在没有接地的情况下,其电磁兼容特性降达不到设计要求，可能干扰待测电路或受到空间电磁波的干扰，影响测量结果!

　　大多数示波器的"信号公共线"终端与保护性接地系统相连接，通常称之为"接地"。这样做的结果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用连接点通常是示波器机壳，通过使交流电源设备电源线中的第三根导线接地线，并将探头地线连到一个测试点上。这是一种不安全的测量行为。此行为会将仪器底盘(不再接地)的电压提高为与探头地线相连的测试点电压相同。触摸仪器的用户就会成为接地的最短路径。图2(b)说明了这种危险的情况。

图2b 示波器底盘上出现危险电压的浮动测量

　　图2b中的V1是高于真实接地电压的"偏置"电压，而VMeas是待测电压。根据被测单元(DUT)的不同，V1可能为数百伏，而VMeas则可能为几分之一伏。以此方式浮动机壳接地端会对用户、DUT和仪器构成威胁。

此外,它违反了工业健康和安全规定，且获得的测量结果也差。而且交流供电仪器在地面浮动时会出现一个大