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GDS-3000系列示波器在開關(guān)電源（交換式電源SMPS）的量測應(yīng)用

前言 
      交換式電源供應(yīng)器（Switching  Mode  Power  Supply）主要用途乃是將電力公司所提供的高壓、低穩(wěn)定性的交流電源，轉(zhuǎn)換成適合各種電子產(chǎn)品使用的低壓、穩(wěn)定性較佳的直流電源。依其功能上的差異，又可分為 AC/DC（交流轉(zhuǎn)直流電源供應(yīng)器）、DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流電源供應(yīng)器）兩種產(chǎn)品。SMPS 可廣泛應(yīng)用在計算機、辦公室自動化設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、通訊設(shè)備等。以目前的應(yīng)用及趨勢，朝向體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高的切換式電源供應(yīng)器將會是應(yīng)用的主流。這份文件將以介紹示波器的電源分析功能及相關(guān)應(yīng)用。

     在切換式電源供應(yīng)器上包含了被動、主動和磁性組件，如圖1 示。穩(wěn)壓電路的調(diào)整則利用場效式晶體管（MOSFET）或是 IGBT 等低損耗的電子半導(dǎo)體切換組件來取代一般的電阻，其主要目的在提供快速的切換，在順向偏壓導(dǎo)通（ON）時提供趨近為零的阻抗，在斷開（OPEN）時則可提供非常高的阻抗而形成開路的狀態(tài)，在高速的切換過程中，調(diào)整不同導(dǎo)通和斷開所周期時間比率（Duty Cycle）來穩(wěn)定輸出的電壓及大小。電壓的輸出及時間的關(guān)系如圖 2所示。

 一般而言，在輸出端負(fù)載所看到的平均電壓為: 
VO（avg） = （ton/T） x Vi
導(dǎo)通時間 ton 越短，輸出電壓相對變小，一般切換的頻率高達(dá) 20MH 以上，切換裝置的控制是透過控制器輸出脈寬（PWM）調(diào)制訊號驅(qū)動 MOSFET 閘極，控制斷開及導(dǎo)通，用以穩(wěn)定輸出電壓。越高的切換頻率則可減低輸出電壓的漣波，確保功率的穩(wěn)定輸出。

 固緯 GDS‐3000示波器功率測試介紹 
    

      GDS‐3000 可選配電源分析軟件，其功能包含電源質(zhì)量（Power  Quality）、諧波（Harmonics）  、漣波（Ripple）與涌入電流（In‐rush current）。只要選配此電源分析軟件，便可以讓用戶省下購買相對昂貴的功率計（Power Meter）的費用，讓使用者可以從示波器便輕易地取得電源測試的相關(guān)數(shù)據(jù)。
其功能介紹如下：  
 
1.  電源質(zhì)量（Power Quality）
設(shè)計一個開關(guān)電源，需要評估開關(guān)電源一次測的質(zhì)量。實際供電電壓和電流波形不是理想的正弦波，而是包括  失真及其它異常的現(xiàn)象。這種異常影響功率消耗，效率和可靠性。因此衡量電源質(zhì)量是非常重要的。
 
GDS‐3000 電源分析軟件除了計算基礎(chǔ)的參數(shù)，如視在功率（Apparent  Power），有效功率（True  Power），虛功率（Reactive Power）與功率因子（Power Factor）外（圖3），亦包含其他豐富的參數(shù)可供用戶用來判別電源質(zhì)量的優(yōu)劣（圖 4）

 2.  諧波（Harmonics）    

      若負(fù)載是非線性負(fù)載，例如整流性負(fù)載，電流波形就會失真。若電壓頻率是50Hz，將失真的電流經(jīng)傅立葉變換分析后，可將其電流組成分解為除了基頻（50Hz）外，倍頻（100Hz,  150Hz,…）成份的組合。其倍頻的成份就稱為諧波。由于近年來整流性負(fù)載的大量使用，造成大量的諧波電流的出現(xiàn),  也間接污染了市電。所以會有IEC61000‐3‐2這個法規(guī)的實施。來確保市電電壓的純正。
 
     GDS‐3000諧波測試包含了業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)IEC61000‐3‐2（圖5），并可選擇Class A/B/C/D以符合各種不同應(yīng)用的需求（見表1與表2）。例如: Class A可測試三相電源設(shè)備、家電用品、調(diào)光器、音頻設(shè)備等；Class B可評斷攜帶式設(shè)備、非工業(yè)的電弧焊（arc welder）；Class  C可評斷照明設(shè)備及Class D可評斷電視接收器、個人計算機、及計算機屏幕相關(guān)功率與小于600W功率的裝置。因此使用GDS‐3000的諧波測試功能，除可依用戶需求得到各階的諧波失真外，也可立即得到業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)IEC61000‐3‐2的測試結(jié)果。相關(guān)的應(yīng)用選擇如下表所示：

 3.  漣波（Ripple）與噪聲（Noise）
***漣波（Ripple）：
    開關(guān)電源輸出的整體噪聲可以被視為是具有漣波和噪聲的組合（圖 6）。漣波是開關(guān)電源的充放電所造成的電壓波動事件。這種噪聲具有低的峰值/均值比。發(fā)生在基礎(chǔ)的開關(guān)頻率，通常被稱為噪聲的 RMS 值。漣波波形代表輸入和輸出電容的充放電效應(yīng)，增加輸入和/或輸出電容值可以降低漣波的影響。
***噪聲（Noise）：
    高頻的噪聲尖峰（noise spike）發(fā)生在電源的開啟和關(guān)閉時。雖然噪聲的重復(fù)頻率是由開關(guān)電源的開關(guān)頻率來決定，噪聲尖峰的頻率普遍高于開關(guān)式電源的開關(guān)頻率。噪聲振幅會依開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路寄生效應(yīng)和 PCB 布局來變化。當(dāng)噪聲發(fā)生在一個較高的頻率時，噪聲尖峰極易受探棒或?qū)嶒炇以O(shè)置的影響。
 
     相較于其他示波器的電源量測功能僅能量測Ripple，GDS‐3000透過自行研發(fā)技術(shù)，還能量測電源的Noise，讓使用者更能完整的預(yù)測電源的實際狀況，做出更的評估（見圖8）。其量測示意圖可參考圖7。

 4.  涌入電流（In‐rush current） 
     涌入電流或浪涌電流（Surge Current）可視為:  當(dāng)開關(guān)電源*次啟動時流入電子裝置瞬間zui大的輸入電流。如此高的初始電流為偏壓加入時，使電容造成瞬間短路的結(jié)果。設(shè)計人員須注意此一重要參數(shù)，就是當(dāng)切換器啟動時，若控制失當(dāng)?shù)脑?，大量的涌入電流將會涌現(xiàn)，并在切換器上產(chǎn)生壓降，此時將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生致命的沖擊。
 
      此瞬間涌入的電流量測，目的在確認(rèn)電源供應(yīng)器的輸入電容的充電電流不會超過zui大額訂電流或超過輸入端的組件可承受的zui大電流。GDS‐3000的電源分析軟件，透過一階涌入電流（First  Peak）的計算，可讓設(shè)計者可以輕松地選擇保險絲規(guī)格，省去手動計算的耗時與錯誤。而除了一階涌入電流的計算外，固緯的第二階涌入電流（Second Peak）觀測，讓使用者更可清晰地觀測待測物開機時瞬間的變化（見圖10）。其量測示意圖如圖9所示。

 結(jié)語
今日交換式電源的應(yīng)用已廣泛地使用在各個領(lǐng)域。而固緯 GDS‐3000 示波器，搭配電源分析軟件包含了完整的電源質(zhì)量分析，諧波分析測試，漣波測試和涌入電流測試，可取代傳統(tǒng)使用示波器外加功率計的效能，為您在提供完整的工具的前提下，減少您所需投入的成本。

 GDS‐3000系列產(chǎn)品簡介 
 
GDS-3000 系列是一個全新的測試平臺，全系列zui高提供 350MHz 的帶寬，4個模擬輸入通道，5GSa / s 取樣率和 VPO 波形顯示技術(shù)。4分割畫面功能可以達(dá)到同時獨立觸發(fā)測試多信號的要求，可運用于測試研究和制造領(lǐng)域，選配的功率分析軟件和串行總線分析軟件，可以更方便工程師加速測試和制造相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展速度。  
 
GDS‐3000系列可選配差動探棒或是電流探棒來進行電源分析測試，包含3個 25MHz/1400Vp‐p*200衰減，50MHz/7000Vp‐p*1000 衰減以及100MHz/7000Vp‐p*1000衰減的差動探棒，和2個全新的 50MHz/30A與 100MHz/30A電流探棒。完整的功率測試效能，讓 GDS‐3000 提供了整體解決方案以符合各式電源測試應(yīng)用的需求。GDS‐3000 高科技的數(shù)字測試平臺其面面俱到的功能以及固緯電子所提供的TCO顧客價值，讓GDS ‐ 3000 系列不僅僅用于專業(yè)測試市場，更可廣泛于一般用途進行測試與應(yīng)用。

特點
*  全系列  帶寬覆蓋350MHz 范圍,  提供2/4輸入通道, 
*  雙取樣模式: 5GSa/s實時取樣率及100GSa/s等效取樣率
*  強大的VPO 訊號處理技術(shù)，快速洞察異常訊號 
*   8英吋800*600高分辨率大尺寸畫面,  能更舒適的檢視復(fù)雜訊號的細(xì)節(jié)
*  *的分割窗口功能，能同時獨立觸發(fā)及獨立顯示四個信道的波形訊號
*  彈性的GW App應(yīng)用軟件平臺,  軟件擴充/  升級更容易
*  可選擇50Ω/75Ω/1MΩ三種不同的輸入阻抗
*  可選配功率量測軟件以進行電源質(zhì)量測試與分析
*  可選配串行總線的觸發(fā)、譯碼功能.軟件可支持I2C, SPI以及UART

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