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電源供應器的量測秘訣10 個設計階段

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電源供應器是所有電器設備後面的電源提供者。它們有各式各樣，以符合各種它們賦與電力的系統。邁向更小、更環保且更便宜的電源供應器設計的競賽，較之以往更為激烈。更高的效率、更高的電源密度、上市時間、標準需求，以及降低成本，在在影響設計，同樣也影響設計人員。

設計電源供應器是一種需要進行多個步驟的複雜程序。在本手冊中，我們將遵循簡單的工作流程，並對 10 個設計階段的每一個提供測試秘訣。希望您能從中找到一些秘訣，讓您的測試更有效率，並讓您的生活更加輕鬆。

10 個電源供應器設計階段

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1. 元件選擇和描述

2. 低電壓直流電路電源開啟

3. 高電壓交流電路電源開啟

4. 數位和類比控制電路除錯

5. 電源階段開關性質

6. 開關和傳導損耗測試

7. 檢查規格

8. 電源線相容性測試

9. EMI 疑難排解和預先相容

10. 設計驗證

索引

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傳統上，元件製造商的詳細資料表已提供設計人員所有必要的操作性質，以設計出好的電源供應器。單單根據資料表參數就能嚴格做出元件選擇。但是，日益嚴格的新設計需求可能需要設計人員超出標準資料表參數描述元件。

n 應該選取重要的電源元件，例如MOSFET、IGBT和二極體，以取得最佳化的關鍵參數，例如開啟狀態、關閉狀態或交流性質。

n 測試元件時，其溫度範圍應該超出資料表所定義的理想狀況。

n 被動元件連同主動元件應該進行真實世界狀況的測試。

元件選擇和描述

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秘訣：若要量測開啟狀態性質中的微小差異，例如閘極臨界電壓(VTH)、增益(gM)和導通電阻(RDSON)，請使用能夠驅動數十安培產生並可量測電壓的儀器。同樣地，對於低電流，關閉狀態量測(例如漏電(IDSS))，請使用能夠取得高電壓產生並可量測電流的儀器。

秘訣：對於擊穿電壓(BVDSS)，您將需要取得數次裝置的工作電壓。

秘訣：在簡單2個端子裝置或複雜的3到4個端子電晶體上，使用電容量測系統量測裝置電容與電壓(CISS、COSS、CRSS)，而此系統能夠測試全系列裝置的直流操作電壓。傳統的LCR計量器可以告訴您電容，但無法涵蓋完整操作電壓。

您知道嗎？ Keithley SourceMeter 可以一個充當 4 個儀器；電壓/電流源、電壓/電流計量器、掃描和函數產生器，以及可程式設計的負載。

您知道嗎？ Keithley SourceMeter 可以量測元件上的 IV 性質，從 µV 到 3 kV 以及 f A 到 100 A。

您知道嗎？ 適用於 Android 平台的 IVy 觸控畫面軟體可讓您輕鬆地檢查元件上的 IV 性質。

ACS Power Devices Test Software IVY android application for VI characterization ACS 電源裝置測試軟體 適用於 VI 的 IVy Android 應用程式的特性ACS Power Devices Test Software IVY android application for VI characterization

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設計週期的下一個階段就是製作原型。前幾個原型易於產生多種失敗模式。有多種原型由於電路板繞線、焊接、元件擺放位置和寄生而出錯，因此請慎重進行。

n 在開啟電源之前，一律使用數位多重計量器，檢查所有輸入和輸出階段是否發生短路。

n 將低電型類比和數位電路儘可能隔離成多個子電路，並請一次使用一個子電路開啟原型電路板的電源。

n 隔離電路板上的電源供應器，並在有和沒有負載的情況下測試輸出。檢查輸出電壓和漣波是否一如預期。

n 使用精確直流電源供應器，來開啟個別低電壓子電路，而不是依靠電路板上的電源供應器。(如果電路板上的電源供應器有多個輸出，請使用直流電源與多個隔離通道搭配。)

低電壓直流電路電源開啟 秘訣：使用同時顯示程式設定和實際量測輸出的直流電源供應器，可快速指出交流階段是否引出太多電流。否則，在測試下連接電源供應器與裝置之間的DMM，以密切監視電流引出。

秘訣：當您需要在測試下提供精確的電壓給您的系統時，請使用4線遙控感應台式電源供應器，以消除測試下在台式電源供應器與您系統之間配線時由於電壓下降而產生的影響。

您知道嗎？ Keithley 的 2280S 精準量測電源供應器可以量測 10 nA 解析且 0.05% 精確的低休眠模式狀態電流。

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用於漣波量測的圖形取樣 DMM 7510

Power Circuit 1

Power Circuit 2

三重輸出隔離的輸出直流電源器

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既然已檢查完您的所有低電壓電路，是時候開啟高電壓電路的電源。這是您的原型第一次看到高電壓的階段。

n 在第一次開啟電源期間，將高電壓階段與所有低電壓階段隔離，總是很好的想法。

n 考慮使用交流電源搭配電流限制。設計時一律從最低交流電壓開始。這將協助減少由於不當焊接、不良配件或PCB設計錯誤而引起的主要熔斷。

n 使用適當分級的差動和電流探棒，量測交流輸入電壓和電流。

n 第一次在測試下開啟裝置電源之前，請在啟用記錄的情況下，對交流輸入使用示波器或電源分析器。擷取湧流和暫態。

n 一旦高電壓電源階段檢查完畢，請啟用低電壓控制電路，以取得完整圖。

高電壓交流電路電源開啟 秘訣：若要使用鉗式電流探棒，量測您卸載之系統的低交流輸入電流引出，您可以提高探棒察覺的電流。只需將線路導體繞過夾片多次即可。請記住依轉數劃分您的電流讀數！

秘訣：請使用電流分析器與連續記錄功能搭配，來記錄啟動電流。如果在開啟期間發生災難性失敗，您至少有一些資料來調查可能原因。

您知道嗎？ PA1000 電源分析器提供湧流模式，以測試湧流期間的峰值。

您知道嗎？ DPOPWR 示波器軟體提供廣泛的電源分析套組，可以協助您在開啟電源期間量測並除錯輸入交流電參數。

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PWRVIEW - Trend chart efficiency logging PA1000 – Inrush current mode 在 MSO5000B 示波器上使用 DPOPWR 的交流電源分析

PWRVIEW - 監視電源開啟事件的趨勢圖。 PA1000 – 湧流模式

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這是您檢查控制邏輯的階段。這可能是最重要且最複雜的設計部分，在這裡您必須測試，以取得適當的補償、電壓、定時和頻率回應。

n 在開啟電源期間量測開關裝置驅動程式中的調變訊號，來驗證不同負載的適當開關頻率、脈波寬度和負載循環。

n 透過控制回路中的寬頻注入變壓器注入頻率掃描訊號，來檢查回路頻率回應。

n 使用頻率回應分析器，來量測電路的增益和相位。

數位和類比控制電路除錯

秘訣：監視輸入和輸出電壓，以及反饋或控制訊號，來驗證在變更輸入電壓和輸出負載期間回路回應(例如臨界阻尼)是否一如預期。

秘訣：監視輸入和輸出電壓和電流，以及控制訊號，來驗證電路的運作，例如軟啟動、短路防護、關機和電流折返。

秘訣：對於數位控制的供應，請擷取並顯示類比、數位及系列匯流排控制訊號的時間相關檢視，來視覺化系統作業並驗證控制系統是否如設計般運作。

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您知道嗎？ DPOPWR 軟體可以協助您對難以量測 PWM 訊號的情況進行調變分析。

DPOPWR- MMSO5000B 示波器上的調變分析

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在驗證了高電壓電路、低電壓電路和控制邏輯之後，是時候檢查電源階段的開關性質。

n 測試無負載、正常負載及完整負載狀況時的開關性質。

n 確定根據設計計算，所有開關(MOSFET、IGBT等等)的開啟、關閉、負載循環和空載時間都一如預期。

n 檢查所有VGS訊號找出雜訊和撞擊，因為此端子上任何無意的突波可能導致不需要的開啟和直通。

n 根據拓撲，檢查同步整流器或H電橋的空載時間，以確定不可能直通。

n 驗證閘門驅動程式與相關訊號之間的定時關係，以確定它們一如預期。

電源階段開關性質 秘訣：使用差動式探棒搭配適當電壓分級以安全地量測非接地參考訊號。請不要讓示波器浮動，這很危險。

秘訣：如果難以量測浮動閘門訊號，請探測閘門驅動程式的輸入，以驗證頂端和底端FET之間的空載時間。

秘訣：量測最低電壓轉換速率點的電流，以將串音降至最低。

您知道嗎？ Tektronix 示波器提供高解析模式，可將雜訊降至最低，並確定可以計算出可能最高精確的開啟和關閉。

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Switching Measurements Switch On-Off trajectory 開關量測 開關定時分析 開關彈道

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透過電源開關和磁性的開關和傳導損耗是整體系統損耗的主要貢獻者。將這些損耗降至最低很重要，尤其對於現代高效率設計更是如此。

n 根據資料表計算開關和傳導損耗可能容易產生誤解，因為它不會對操作狀況和電路寄生提供全方位的損耗側寫說明。

n 在電路使用中且有負載時，檢查整流器、開關(MOSFET、IGBT等等)和磁性找出損耗很重要。屢見不鮮，磁性是自行設計的。如同開關裝置，測試操作中的磁性並適當地描述它們很重要。

開關和傳導損耗測試 秘訣：如需量測開關損耗，請使用高解析示波器，並記住不要使電壓和電流探棒歪斜。使用篩選和平均函數，取得一段時間後的精確結果。

秘訣：若要量測示波器上的開關損耗，您可以將電壓乘以電流，然後取得開啟或關閉期間結果電源波形的平均值。如果您有電源分析，可使此程序更為容易且更能重複執行。

您知道嗎？ DPOPWR 軟體提供卓越的解決方案，用於動態測試磁性電源損耗和磁性性質，如電感和 B-H 曲線。

您知道嗎？ DPOPWR 提供自動計算技術，用於量測高電源開關在電路中使用中時的可重複開關和傳導損耗。

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MSO5000B 示波器上的開關和傳導損耗 MSO5000B 上的磁性性質 MSO5000B 上的磁性損耗

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下一步就是查看設計是否符合規格，例如線路和負載規定、漣波、雜訊、短路防護、暫態回應，以及效率。

n 對於負載規定，請對電源供應器的輸入和輸出端子直接使用高精確DMM，並掃描最低到最高的負載。測試期間將輸入電壓保持不變很重要。記錄輸出電壓與負載中的任何變更，以決定負載規定。

n 線路規定可以利用類似設定來進行測試，在此設定中，會透過固定負載量測輸出電壓，同時輸入交流電壓會從最低掃描至最高。此測試對通用輸入電源供應器尤其重要。

n 使用已針對高解析量測最佳化的示波器或高精確圖形取樣多重計量器，檢查完整負載中是否有雜訊和漣波。示波器通常會提供更高的頻寬，但多重計量器將提供更好的精確度。

n 使用電源分析器，來記錄效率，同時掃描所有操作狀況的輸入電壓和輸出電壓負載。

檢查規格

秘訣：若要量測低階電壓，例如漣波，請將探棒衰減降至最低(1X或2X，如果可能的話)，或在您的示波器中取得最好的訊號雜訊比。

秘訣：請不要依賴交流源或電子負載讀數，進行線路或負載規定測試。對電源供應器的端子直接使用精確儀器，以取得更好的量測精確度，並將輸入和輸出纜線的壓降降至最低。

秘訣：當量測高頻率雜訊和漣波時，請使用低電感接地彈簧的探棒配接卡或類似附件。標準探棒接地線可以充當天線，並從螢光燈和其他來源挑選周圍雜訊，這會在讀數中產生明顯錯誤。

您知道嗎？ Keithley 的 DMM7510 圖形取樣多重計量器具有 18 位元， 1 MS/s 數字器，可讓使用者擷取快速暫態和小型漣波，同時將結果顯示在大型 5 吋的觸控螢幕介面上。

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用於漣波量測的圖形取樣 DMM 7510

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恭喜您！您的第一個原型已啟動並執行中。是時候檢查設計是否符合當地電源線標準。

n 大部分交流-直流電源供應器的設計旨在從交流牆上插座開始運作，並受制於嚴格的

耗電和電源品質標準，例如IEC62301備用電源和IEC61000-3-2電流諧波標準。應該在設計周期早期測試是否符合這些標準，以避免日後頭痛。

n 確定您用於測試電流諧波的電源分析器符合量測技術的IEC61000-4-7標準。

電源線相容性測試 您知道嗎？ Tektronix 提供適用於 IEC61000-3-2 電流諧波的預先相容解決方案、提供適用於 IEC62301 備用電源和 ENERGY STAR 的相容解決方案，以及提供使用者定義的限制，全都可用便宜的價格購得。

您知道嗎？ PA1000 電源分析器具有 20 µA 電流量測功能，因此容許備用電源量測可低至 5 mW。

您知道嗎？ Tektronix 中斷盒提供兩種個別端子，用於負載和來源端量測，讓您可在備用電源測試時輕鬆且安全地取得精確的低電源讀數。

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IEC 61000-3-2 current harmonics testing IEC 61000-3-2 電流諧波測試

秘訣：跳過等待，並使用便宜的預先相容解決方案，來測試與 CE 標誌、ENERGY STAR ®、IEC 備用和諧波標準是否相容。這將在稍後設計周期中節省很多時間和麻煩。及早且經常測試預先相容。

秘訣：在量測低且失真的備用電源時，請仔細檢查您的連線。不正確的佈線會導致明顯錯誤。確定您一律連接分流器的來源端上的電壓計通道，讓您不需量測通過電壓計阻抗的電流。

IEC 62301 standby power test IEC 62301 Ed 2. 備用電源測試

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由於困難和測試成本，早期設計階段經常會忽略EMI和RFI測試。這可能在截止日期即將結束之際導致不愉快的驚慌和專案延期。

n 養成習慣，在設計周期早期測試EMC問題，以避免不需要的電路板轉向及遺失時間軸。使用頻譜分析器和預先定義的EMI相容性屏蔽，您可以執行預先相容測試，並在稍後您移至試驗室之前於程式中捕捉到EMI問題。

n 使用混合的領域示波器(MDO)與內建的頻譜分析器和近場探棒搭配，可快速定位EMI的來源。您可以手持示波器和示意圖，量測頻譜峰值並推斷主因。

EMI 疑難排解和預先相容 秘訣：使用便宜的EMI預先相容解決方案，在原型階段早期測試EMC和RFI相容性，最終可節省時間和金錢。

秘訣：使用近場探棒與混合的領域示波器或頻譜分析器，來找出並定位RF來源。

您知道嗎？ MDO4000B 系列示波器可以協助您檢視整個系統，並量測類比、數位、系列匯流排事件和頻譜發射之間的關係。

您知道嗎？ Tektronix RSA306 提供即時頻譜分析，並可讓您點出短期 EMI 脈衝。長期記錄時間可協助您擷取罕見的脈衝。

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EMC measurements Signal VU - EMC measurements EMI 利用 MDO4000B 示波器上的同步時間和頻譜軌跡進行疑難排解

利用 RSA306 即時頻譜分析器進行預先相容 EMI 掃描

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既然您已徹底地測試了您的第一個原型，是時候移至超速傳動，並進行下一個修訂。

n 重複稍早討論的所有測試步驟，作為完整性檢查。

n 當一切檢查完畢時，是時候對您的設計進行下一步，並檢查可靠性。

n 測試所有輸入組態的電源供應器。此測試對通用輸入電源供應器尤其重要。

n 掃描負載(從無負載到完整負載)，以測試您的電源供應器是否適用於所有可能的操作狀況。

n 使用環境室執行生命週期測試，以檢查您的設計的實際效能。

設計驗證秘訣：使用交流源與通用額定輸入和已認證可進行IEC測試的交流源搭配。這將協助您確定您的產品將通過相容性測試。

秘訣：對電源供應器的輸入和輸出使用電源分析器，來量測所有交流輸入參數，如電源因數、波頂因數、諧波和尖峰電流，以及系統效率。

您知道嗎？ PWRVIEW 軟體以及 Tektronix 電源分析器提供自訂記錄功能，並搭配使用者定義的限制、趨勢、波形和諧波圖形，來監視並自動執行系統測試。

您知道嗎？ PA1000 電源分析器搭配 PWRVIEW 軟體可提供耗電量 (WHr) 測試。

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Custom logging and user limits for automation Trend charts for validation testing 自訂記錄和自動化的使用者限制 驗證測試的趨勢圖 Standby power measurement with breakout box PA1000 電源分析器和中斷盒設定

造訪www.Tek.com/PowerSupplySolutions.com，取得珍貴的電源供應器資源，包括： n 電源供應器挑戰參考工具箱。此應用程式工具箱的注意事項概述工程師在其每日工

作可能面臨的各種問題，並提供作法解決方案

n 取得產品示範或引用。

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