《电子技术应用》

手把手教你用示波器进行电源功率分析

2018/7/13 9:06:37

在实际的应用中,工程师们经常遇到需要进行功率测量的场景,除却专门的功率分析仪可以完成测量之外,日常使用的示波器也能为其所用。

理论来说,功率等于电压乘以电流,而示波器是电压响应仪器,如何来进行功率分析呢?示波器配备电流探头后,通过电流探头把电流信号转换成电压信号,即可达到测量电流的目的,因此示波器可以测量功率。鼎阳科技SDS2000X系列示波器具备功能完善的电源分析软件。我们可以借助SDS2000X系列示波器方便、高效地分析开关电源效率及可靠性。

那么具体如何操作呢?下面就手把手教大家如何用示波器测量功率。

首先让我们明确示波器功率分析能做到哪些功能:

1. 分析整体谐波失真、有效功率、视在功率、功率因素、波峰因素

2. 根据IEC61000-3-2标准进行电流谐波测试

3. 测量开关设备的开关损耗和导通损耗。

4. 分析电流和电压的转换速率dl/dt和dV/dt

5. 自动设置示波器纹波测量

6. 对脉冲宽度调制进行分析

测试内容

我们通过测试功率和分析谐波来展示SDS2000X的电源分析功能。

功率测试:通过对电源输入功率的计算可以了解到电源输入端电压与电流的情况,反映输入端的电源能量消耗情况。

谐波测试:由于电源谐波的产生会增大电源系统的谐波损耗,降低电源利用率,使电源负载等设备过载运行,缩短使用寿命,也有可能发生谐振现象,导致各个器件因电流过大或电压过大而损坏,所以谐波参数测试和分析至关重要。

测试工具

1、SDS2000X (已开通功率分析选件)

2、开关电源模块,可输出24V直接电压

3、高压差分探头DPB4080,最高可测电压1600Vpp

4、一个电流探头CP4050,最高可测电流70A

5、一个20W、50欧负载

测试前准备通道时滞校准

要进行准确的功率损耗测量,必须使用DF2001A时滞校准装置执行电流和电压通道时滞校准。通道时滞校准可校正电流和电压探头之间的时间延迟。开始时需要执行一次时滞校准,并在任何硬件设置部分改变(例如,不同的探头、不同的示波器通道等)或环境温度改变后,均需再次执行一次时滞校准。时滞校准界面如下图1。

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图1 时滞校准界面

按下图,连接好之后,按下自动消除时滞进行校准并等待校准完成。如图2所示。

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图2 时滞校准

执行电源分析

使用电源分析对电源设备进行测量,需保证被测设备的正确连接,再通过信号设置以及其它的参数设置,最后对结果进行分析。

电源质量 

电源质量分析显示 AC 输入线的质量。AC 的部分电流可能会流进负载又从负载流出但不传输能量,这种电流称为无功电流,会使“视在”功率上升,使其大于消耗的实际功率。电源质量由下列测量进行计量:AC 线的电流和电压的均方根、功率因数、有效功率、视在功率、无功功率、波峰因数及相位角。 

示波器设置与电路连线

1、选定“电源质量”。从分析菜单项选中“电源质量”。 

2、将探头连接到被测设备以及示波器。 

1)在电压探头上选择100X的衰减。 

2)将电压探头D+ 连接到AC输入端的火线。 

3)将电压探头D- 连接到AC输入端的零线。 

4)将电流探头连接到AC输入端的火线,箭头方向指向电流流动方向,并设置 500mV/A的量程。 

5)将电压和电流探头分别连接到示波器CH1和CH2通道。 

6)作为参照同时接入SDM3065X测量其输入电压。

7)下图3为实物连接图

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图3 实物连接图

3、按下“信号”软键,进入信号设置菜单。 

4、分别按下“电压”和“电流”软键,对应设置CH1为电压通道,CH2为电流通道。 

5、设置CH1的电压衰减倍数为100X和CH2的电流衰减倍数为2X。 

6、按下“周期”软键,设定一次采集中捕获的最小周期数为4。 

7、按下“自动设置”软键,示波器将会自动设置电压和电流通道的垂直电压档位、垂直偏移和水平电压等。 

8、返回电源应用分析菜单。 

9、在电源应用分析菜单中,按下 “类型”软键,然后旋转万能旋钮分别选择电源质量分析以下测量类型: 

电压均方根:AC线电压的均方根。 

电流均方根:AC线电流的均方根。 

功率因数:AC线有效功率与视在功率的比。 

有效功率: 在AC波形的完整周期上平均计算得到的部分功率通量,它在一个方向上产生能量的净传递。 

视在功率:由于存储的能量产生的部分AC线功率通量,它在每个周期中都返回到源。视在功率=IRMS * VRMS。 

无效功率:视在功率和有效功率之间由于电抗而产生的差异。使用功率三角形(视在功率2=有效功率2 + 无效功率2),无效功率=(视在功率2 - 有效功率2)1/2。 

电压波峰因数:是负载所需的瞬时峰值AC线电压和RMS电压之间的比率,也就是Vpeak/VRMS。 

电流波峰因数:是负载所需的瞬时峰值AC线电流和RMS电流之间的比率,也就是Ipeak/IRMS。 

相位角:在功率三角形(视在功率2=有效功率2 + 无效功率2)中,相位角是视在功率与有效功率之间的角,表示无用功率的量。相位角越小,无用功率就越小。

由于每屏幕最多只能测量五组测试参数,因此通过两屏进行测试。第一屏幕,测试电压均方根、电流均方根、视在功率、有效功率、无效功率,测量结果为图4

4、第二屏幕设置功率因素、电压波峰因素、电流波峰因素和相角,测量结果为图5

5、测试结果如下:

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图4 测试结果-1

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图5 测试结果-2

为验证负载的实际功率。我们把SDM3065X作为电流表接入到负载电路中,如图6所示;同时把高压差分探头和电流探头接入到负载电路中。在功率分析中,选择电压均方根、电流均方根、有效功率。结果如图7所示:

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图6 参考电流测试

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图 7 负载测试

测试结果

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电源质量分析

1、从表格可以看出万用表与高压差分探头测试的电压相近。

2、电流探头与万用表没得的电源存在3毫安的差异。万用表作为精确测量仪器且直接接入电路中,其测量非常准确;电流探头通过电磁变化测量其电流,说明其测量精度也非常高。

3、可以计算得出此电源的效率为100%*10.78W/17.01W=63.37%。

电流谐波

开关电源在使用AC线路供电时,会产生一系列谐波,这些谐波会传回AC线路,并导致AC线路上其他设备受干扰,因此国际电工委员会(IEC)针对使用AC线路不同的设备设定了其各个电流谐波的标准限值IEC61000-3-2。 使用电流谐波分析可对开关电源的40次以内的电流谐波是否满足IEC61000-3-2(A、B、【C类不支持】D类)进行分析。 

1、选定“电流谐波”。从“分析”菜单项选中“电流谐波”。

2、在电源应用分析菜单中,进入“设置”软键,进入设置菜单。 

3、在“线路频率”菜单中,设定输入线路的频率为50Hz。 

4、在“标准”菜单中,选择要在电流谐波上执行符合测试的标准。 

     IEC 61000-3-2 A类:适用于平衡三相设备、家用电器(除D类设备外)、工具(除便携式工具外)、白炽灯调光器及音频设备。 

     IEC 61000-3-2 B类:适用于便携式工具。 

     IEC 61000-3-2 C类(不支持):适用于普通照明设备。 

     IEC 61000-3-2 D类:适用于额定功率小于或等于600W的设备,类型如下:个人计算机显示器和电视接收器。 

此次选定为A类

5. 返回电源应用分析菜单。 

6. 按下“应用”软键,将执行电流谐波分析。屏幕上会显示使用Hanning窗计算的FFT波形,FFT波形显示了输入电流中的频率分量。下图即显示了各谐波的测量值。

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图8 各谐波的测量值

测试结果

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从表中可以了解到所测的电流谐波均满足IEC61000-3-2标准限值。

总结

从测量结果看,功率分析把电源质量及谐波等性能参数均作了详细测试且测量结果符合要求。以六位半万用表为测量参考也证明了示波器的测量非常精准。因为示波器的带宽和采样率都很高,所以示波器不但可以做稳定分析,还可以做瞬态参数测试,如MOS管上升时间,开关损耗等瞬态参数。而SDS2000X系列示波器均具备这些参数测量功能,可以充分满足开关电源的各种测试要求。我们将在后续的文章中对瞬态测试进行进一步的讲解。

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鼎阳科技(SIGLENT)是一家专注于通用电子测试测量仪器及相关解决方案的公司。

从2005推出第一款数字示波器产品至今,10余年来鼎阳科技一直是全球发展速度最快的数字示波器制造商。历经多年发展,鼎阳产品已扩展到数字示波器、手持示波表、函数/任意波形发生器、频谱分析仪、台式万用表、直流电源等通用测试测量仪器产品。2007年,鼎阳与高端示波器领导者美国力科建立了全球战略合作伙伴关系。2011年,鼎阳发展成为中国销量领先的数字示波器制造商。2014年,鼎阳发布了中国首款智能示波器SDS3000系列,引领“人手一台”型实验室使用示波器由功能示波器向智能示波器过渡的趋势。2017年,鼎阳发布打破行业垄断,多项参数突破国内技术瓶颈的SDG6000X系列脉冲/任意波形发生器,其输出带宽高达500MHz。目前,鼎阳已经在美国克利夫兰和德国汉堡成立分公司,产品远销全球70多个国家,SIGLENT正逐步成为全球知名的测试测量仪器品牌。

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