Agilent 开关电源测试方案 自动 可靠 快速的低成本开关电源测试方法 邹杨安捷伦科技市场部 yang_zou@agilent.com Page 1
Agenda 电源测试基础 开关电源要测试的主要参数 Agilent 开关电源测试方案 Page 2
这些设备有什么共同点? 它们都需要电源! Page 3
电源基础 电源的 职责 : 产生稳定的低噪声的电压输出 电源的种类 : 线性电源 (series-pass) 和开关电源 (SMPS) 线性电源 (series-pass) 工作在晶体管的线性区 + 低噪声 + 不需要太多滤波器件 - 只能做 降压 - 效率低 开关电源 (SMPS) 晶体管工作在开 / 关 / 开 / 关的状态, 开关频率通常在 20 200kHz + 效率高 + 功率密度高 + 可做降压也可升压 - 调制产生更多纹波和噪声 Page 4
电源测试和分析 : 电流和电压之间的游戏! 欧姆定律 V [volts] = I [amps] * R [ohms] 瞬时功率 P = V [volts] * I [amps] 基本概念有功功率, P [Watts] 无功功率, Q [VAR] 复数功率, S 视在功率, S [VA] P max V max I max Page 5
半导体开关器件 开关电源通常使用 MOSFET 做开关器件, 比传统的 BJT 速度快 开关电源的开关器件总是工作在打开或关闭状态, 可以提供更高的效率 ON = 完全导通 ( 理想情况下 V = 0, 意味着开关损耗 P = V x I = 0) OFF = 完全关闭 ( 理想情况下 I = 0, 意味着开关损耗 P = V x I = 0) MOSFET 器件有导通 开关和栅极充电损耗 另外, 快速的开关会在输出端产生 EMI ( 噪声和纹波 ) Page 6
开关电源设计的挑战 降低成本 AC/DC 前端开关电源的平均成本 2003 : $0.1/W - $0.2/W 2010 : $0.08/W - $0.14/W 提高功率密度和效率 AC/DC 前端开关电源的平均功率密度 2003 : 3-10W/in 3 2010 : 10-25W/in 3 提高可靠性 控制 EMI; 符合 EMC 要求 这些要求都增加了测试时间! Page 7
开关电源要测试的主要参数 Page 8
电源测试和分析 输入端分析 输出端分析 开关器件分析 调制分析 Page 9
输入端分析 : 冲击电流测量 测量当开关电源打开时瞬间的冲击电流 当开关电源打开时, 输入端的滤波电容相当于瞬间短路, 会产生一个很快上升时间的冲击电流 Page 10
输入端分析 : 输入电流谐波 根据 IEC/EN61000-3-2 (Class A/B/C/D) 和 RTCA DO- 160E 标准的要求进行电流谐波测试 标准要求最多测量到 40 次谐波 ( 针对工频 ) Page 11
输入端分析 : 电源质量 对于一个电源模块来说, 一些 AC 电流是不产生能量的, 称为 无功电流 或谐波电流, 无功电流 会增加视在功率 电源的质量通过这些参数衡量 : 视在功率 : 每个周期里电源存储的能量 有功功率 : 每个周期里平均从源端净流入电源的能量 功率因子 : 有功功率和视在功率的比值 峰值因子 : 电流 / 电压的峰值和 RMS 值的比值 Page 12
输入端分析 : 电源质量 Page 13
开关器件分析 : 功率损耗 Vds Is Switching losses Power Losses Conduction losses Page 14
开关器件分析 : 功率损耗 切换损耗产生在漏源电压 V ds 和流过漏极电流 I d 交变的时刻 ( 开关器件开关切换的时刻 ) 导通损耗是由动态导通电阻造成的! Page 15
开关器件测试的难点 : 导通电阻的测量 传统方法 : Zoom in on Vds Runs the risk of saturating the oscilloscope s front-end amplifiers, which may result in signal distortion and measurement inaccuracy 270Vpp Scope s dynamic range = ±8 div Distortion due to overdriving the scope s input amplifier 50V/div 10V/div Page 16
开关器件测试的难点 另外的一种好方法 : 使用示波器的高分辨率模式 Capture the waveform on the oscilloscope and use a movingaverage filter to reduce noise and increase vertical resolution. Agilent s Power Measurement Application uses a movingaverage filter for the Dynamic ON resistance measurement. ADC 位数增加 = 0.5 log2 N N = 用来做平均运算的样点数 Original waveform Smoothed waveform using 256:1 moving average filter Agilent 示波器的高分辨率模式可将 ADC 从 8 位提升至 12 位等效精度! Page 17
开关器件分析 : 安全工作区 (Safe Operating Area) 测量 SOF 定义 : 器件能安全工作不会损坏的电压 电流范围 开关器件的产品手册会给出器件的电压 电流工作条件 100 个开关周期 Example from ON Semiconductor, device #LTC1871 Page 18
调制分析 调制分析用于电源控制环路的测量 PWM( 脉冲宽度调制器 ) 的输入端是控制电压 PWM 的输出是不同占空比的周期性脉冲 PWM Control Filtering Output Feedback Block 目标 : 产生稳定的输出电压 Page 19
调制分析 频率随时间的变化 周期随时间的变化 占空比随时间的变化 脉冲宽度随时间的变化 10 毫秒 Page 20
输出端分析 : 纹波和噪声 V out 有噪声的输出电压 nominal mv r ms mv p-p t 有时称为纹波 / 噪声或 PARD(Periodic And Random Deviations, 周期和随机性干扰 ) 通常用 mv rms 和 mv peak-to-peak 衡量 对于一些比较敏感的应用如低压应用中, 电源噪声可能会影响到用户的测量结果 一些应用如混频器或雷达系统, 噪声尖峰是非常有害的, 所以电源的峰峰值测量非常重要 Page 21
输出端分析 : 测量输出纹波 如何保证准确的测量 : 使用 1:1 的无源探头可以进行进行精确的纹波测量 把示波器设置成 AC 耦合模式 可以使用 带宽限制 功能滤除高频分量 Page 22
输出端分析 : 瞬态分析 测量当负载发生变化时,DC 输出端需要的稳定时间 Output voltage Load current Page 23
输出端分析 : 打开 / 关闭时间 打开时间 : 电源模块输入端加上电压至输出端输出电压的时间 关闭时间 : 电源模块输入端断开至输出端关闭的时间 430 msec turn on time Page 24
Agilent 开关电源测试方案 Page 25
概览 开关电源测试软件 : 基于 Agilent 示波器, 能对开关电源进行测量 分析并生成报告的自动测试软件 发布日期 : 2008 年 3 月支持的示波器 : U1881A: InfiniiVision 3000X, 5000, 6000, 7000 系列 U1882A: Infiniium 9000 系列 3000X 5000 6000 or 7000 USB, LAN or GPIB 电源测量分析软件 测试项目 : 输入分析, 开关器件分析, 输出分析, 冲击电流, 调制分析, 打开 / 关闭时间分析, 瞬态分析 测试模式 : 联机或离线 附件 : U1880A 时延校正夹具 主要特点 : 基于 Agilent 示波器的自动 可靠 快速的开关电源测试方法 9000 Page 26
U1880A/U1881A 电源测试软件 Vertical Task Tab Test Selection Men Waveform Graticu Measurement List Page 27
电源测试软件 : 主要特点 测量模块特点开关损耗安全工作区 (SOA), 安全工作区模板编辑开关器件分析动态导通电阻 di/dt dv/dt 总谐波失真功率因子有功功率输入端分析视在功率峰值因子基于 IEC61000-3-2 std. 和 RTCA DO-160E* 标准的电流谐波一致性测试冲击电流分析冲击电流输出端分析输出电压纹波打开 / 关闭时间分析打开 关闭时间瞬态分析负载瞬态响应正脉冲宽度随时间的变化占空比随时间的变化调制分析周期随时间的变化频率随时间的变化自动提示和时延校正 ( 对于开关器件分析 输入端分析 ) 时延校正 DC 偏置误差效率分析 (New!) 电源效率 (Pout/Pin) 测试报告生成报告生成 (.html 格式 ) Page 28
典型的电源测量系统配置 3000X,5000,6000 或 7000 系列 DSO/MSO 示波器 通过 USB 和 PC 连接 高压差分探头 PC 上运行的电源测试软件 开关电源被测件 电流探头 Page 29
U1880A 时延校正夹具 电压 电流通道 (V x I) 的时延校正对于精确的电源测量非常重要! U1880A 时延校正夹具可以精确校正电压探头和电流探头的时延 夹具可以通过示波器或 PC 的 USB 口供电 校正前 : 电压 电流信号间有 5ns 的时延时延校正后! Page 30
推荐的探头和附件 U1880A 时延校正夹具用于电压 电流的时延校正 AC/DC 电流探头 (1 个或多个 ) 1147A 50MHz, 15A 电流探头, 自动探头识别接口 (AutoProbe) N2780A 2MHz, 500A 电流探头 ( 需要 N2779A 外部供电模块 ) N2781A 10MHz, 150A 电流探头 ( 需要 N2779A 外部供电模块 ) N2782A 50MHz, 30A 电流探头 ( 需要 N2779A 外部供电模块 ) N2783A 100MHz, 30A 电流探头 ( 需要 N2779A 外部供电模块 ) N279XA 系列差分探头 N2790A 100MHz 1.4kV diff w/ AutoProbe N2791A 25MHz 700V diff w/bnc N2792A 200MHz 30V diff w/bnc (10/1) N2793A 800MHz 15V diff w/bnc (10/1) 无源探头 ( 用于测量输出噪声 ) 10070C 1:1, 25 MHz N2870A 1:1, 35 MHz 1162A 1:1, 25MHz Page 31
总结 : Agilent 的电源测试方案 基于 PC 的应用软件, 可以更便宜的价格实现快速 方便的开关电源测试 软件运行在 PC 上 InfiniiVision 3000X 5000 6000 或 7000B 系列示波器可以通过 GPIB USB 或 LAN 连接 PC; 对于 Infiniium 9000 系列, 软件可以装在示波器内部 示波器 电源测试软件 差分电压探头 电流探头和时延校正夹具组成了一套完整的电源测试系统 Page 32
Agilent Oscilloscopes Portfolio Overview Broad Line Covering All Market Segments DCA-J Sampling 90000 X-Series Fastest Growing Scope Company New New 90000 Series 9000 Series U1604B Series U2700 Series 3000X X-Series 2000 X-Series 6000 Series 7000B Series Page 33
噪声 Page 34
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Backup Page 36
Hi-resolution mode Trigger Average Page 37
Ordering Information Product Number Description U1881A* Power Measurement Application for * InfiniiVision 3000XX, 6000 and 7000 U1882A* Power SeriesMeasurement Application for * Infiniium 9000 Series U1880A Deskew fixture for voltage and current probes ** Each has options to lock the license in to scope or PC Option 001 Scope-locked license Option 002 PC-locked license Price (USD) as of Jun $1,700 2011 $2,254 $565 June 2011 Power Measurements Application
Agilent High Voltage Differential Probe Portfolio N2791A 25 MHz N2790A 100 MHz N2891A 70 MHz N2792A 200 MHz N2793A 800 MHz Dynamic range Probe compatibili ty Target applicatio ns 700V diff, common 1.4kV diff, 1kV common 1 Mohm BNC 1 Mohm AutoProbe SMPS, motor drive, power line SMPS, motor drive, electronic ballast 7kV diff, common 1 Mohm BNC SMPS, motor drive, electronic ballast 20V diff, 60V common 15V diff, 30V common 50 ohm BNC 50 ohm BNC Power converters/ devices, CAN, USB, RS422/485 Power converters/ devices, Flexray US Price $600 $1,300 $2,450 $1,700 $3,000 June 2011 Power Measurements Application
Agilent Current Probe Portfolio 1146A 1147A/N2893A N2780A Series 1146A 1147A/N2893A N2780A Series (4 models) Bandwidth 100kHz 50MHz/100MHz 2MHz/5MHz/50MHz/100MHz Max input DC-100A DC-15A DC-500A, 150A, 30A, 30A Probe interface BNC (requires battery) AutoProbe BNC (requires N2779A power supply) Key benefits Low cost AutoProbe BNC interface for wider dynamic range than 1147A Limitations Sensitivity Battery powered 15A peak max 2 per InfiniiVision Requires ext power supply (N2779A) US price $750 $2,150/$3,400 $4,618/$3,846/$2,526/$2,858 Page 40 Page 40 New Probes and accessories Agilent Restricted
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