开关电源的性能指标和测试方法
2011-08-16 10:23:41| 分类： | 标签： |字号大中小 订阅
开关电源的设计、制造及品质管理等测试需要精密的电子仪器设备来模拟电源供应器实际工作时之各项特性(亦即为各项规格)，并验证能否通过。开关电源有许多不同的组成结构(单输出、多输出、及正负极性等)和输出电压、电流、功率之组合，因此需要具弹性多样化的测试仪器才能符合众多不同规格之需求。
电气性能(Electrical Specifications)测试
当验证电源供应器的品质时，下列为一般的功能性测试项目，详细说明如下：
*功能(Functions)测试：
·输出电压调整(Hold-on Voltage Adjust)
·电源调整率(Line Regulation)
·负载调整率(Load Regulation)
·综合调整率(Conmine Regulation)
·输出涟波及杂讯(Output Ripple & Noise, RARD)
·输入功率及效率(Input Power, Efficiency)
·动态负载或暂态负载(Dynamic or Transient Response)
·电源良好/失效(Power Good/Fail)时间
·起动(Set-Up)及保持(Hold-Up)时间
*保护动作(Protections)测试：
·过电压保护(OVP, Over Voltage Protection)
·短路保护(Short)
·过电流保护(OCP, Over Current Protection)
·过功率保护(OPP, Over Power Protection)
*安全(Safety)规格测试：
·输入电流、漏电电流等
·耐压绝缘: 电源输入对地，电源输出对地；电路板线路须有安全间距。
·温度抗燃：零组件需具备抗燃之安全规格，工作温度须於安全规格内。
·机壳接地：需於0.1欧姆以下，以避免漏电触电之危险。
·变压输出特性：开路、短路及最大伏安(VA)输出
·异常测试：散热风扇停转、电压选择开关设定错误
*电磁兼容(Electromagnetic Compliance)测试：
电源供应器需符合CISPR 22、CLASS B之传导与幅射的4dB馀裕度，电源供应器需在以下三种负载状
况下测试：
每个输出为空载、每个输出为50%负载、每个输出为100%负载。
·传导干扰/免疫：经由电源线之传导性干扰/免疫
·幅射干扰/免疫：经由磁场之幅射性干扰/免疫
*可靠性(Reliability)测试：
老化寿命测试：高温(约50-60度)及长时间(约8-24小时)满载测试。
*其他测试：
·ESD：Electrostatic Discharge静电放电(人或物体经由直接接触或间隔放电引起)在2-15KV之ESD
脉波下，
待测物之每个表面区域应执行连续20次的静电放电测试，电源供应器之输出需继续工作而不会产生突波
(Glitch)
或中断(Interrupt)，直接ESD接触时不应造成过激(Overshoot)或欠激(Undershoot)之超过稳压范围的状况、及过电压保护(OVP)、过电流保护(OCP)等。另外，於ESD放电电压在高达25KV下，应不致
造成元件故障(Failure)。
·EFT：Electrical Fast Transient or burst一串切换杂讯经由电源线或I/O线路之传导性干扰(由供电
或建筑物内引起)。
·Surge：经由电源线之高能量暂态杂讯干扰(电灯之闪动引起)。
·VD/I：Dips and Interrupts电源电压下降或中断(电力分配系统之故障或失误所引起，例如供电过载或
空气开关跳动所引起)
·Inrush: 开机输入冲击电流，开关电源对供电系统的影响。
第一部份：开关电源测试规范
电源指标的概念、定义
一． 描述输入电压影响输出电压的几个指标形式。
1． 绝对稳压系数。
A．绝对稳压系数：表示负载不变时，稳压电源输出直流变化量△U0与输入电网变化量△Ui之比。既：
K=△U0/△Ui。
B． 相对稳压系数：表示负载不变时，稳压器输出直流电压Uo的相对变化量△Uo与输出电网Ui的相对
变化量△Ui之比。急：
S=△Uo/Uo / △Ui/Ui
2. 电网调整率。
它表示输入电网电压由额定值变化+-10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。
3. 电压稳定度。
负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化△Uo/Uo
（百分值），称为稳压器的电压稳定度。
二． 负载对输出电压影响的几种指标形式。
1． 负载调整率（也称电流调整率）。
在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也
用绝对变化量表示。
2． 输出电阻（也称等效内阻或内阻）。
在额定电网电压下，由于负载电流变化△IL引起输出电压变化△Uo，则输出电阻为
Ro=|△Uo/△IL| 欧。
三． 纹波电压的几个指标形式。
所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，
可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S 。
问题：如何测量电源纹波？
回答： 可以先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量
均可)，同时还要利用示波器的F
FT功能从频域进行分析。
1． 最大纹波电压。
在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表
示。
2． 纹波系数Y（%）。
在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，既y=Umrs/Uo x100%
3． 纹波电压抑制比。
在规定的纹波频率（例如50HZ）下，输出电压中的纹波电压Ui~与输出电压中的纹波电压Uo~之比，即：
纹波电压抑制比=Ui~/Uo~ 。
这里声明一下：噪声不同于纹波。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用
峰-峰（peak to peak）
值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-
峰（peak to peak）值
表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在
输出电压的2%以下。
第二部份：开关电源测试方法
一． 耐电压（HI.POT,ELECTRIC STRENGTH ,DIELECTRIC VOLTAGE WITHSTAND）KV
1.1 定义:于指定的端子间,例如:I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG间,可耐交流之有效值,漏电流一般可容许10
毫安,时间1分钟。
1.2 测试条件：Ta：25摄氏度；RH：室内湿度。
1.3 说明：
1．3．1 耐压测试主要为防止电气破坏，经由输入串入之高压，影响使用者安全。
1．3．2 测试时电压必须由0V开始调升，并于1分钟内调至最高点。
1．3．2 放电时必须注意测试器之Timer设定，于OFF前将电压调回 0V。
1．3．3 安规认证测试时，变压器需另行加测，室内 ，温度25摄氏度，RH：95摄氏度，48HR，后测
试变压器初/次级与初级/CORE。
1．3．5生产线测试时间为1秒钟。
二．纹波噪声（涟波杂讯电压）（Ripple & Noise）%，mv
2．1定义：
直流输出电压上重叠之交流电压成份最大值(P-P)或有效值。
2．2测试条件:
I/P: Nominal
O/P : Full Load
Ta : 25℃
2．3说明:
2．3．1示波器之GND线愈短愈好,测试线得远离PUS。
2．3．2使用1：1之Probe。
2．3．3 Scope之BW一般设定于20MHz，但是对于目前的网络产品测试纹波噪声最好将BW设为最
大。
2．3．4 Noise与使用仪器，环境差异极大，因此测试必须表明测试地点。
2．3．5测试纹波噪声以不超过原规格值 +1%Vo。
三．漏电流（洩漏电流）（Leakage Current）mA
3．1定义：
输入一机壳间流通之电流（机壳必须为接大地时）。
3．2测试条件：
I/P：Vin max.×1.06(TUV)/60Hz
Vin max.(UL1012)/60Hz
O/P: No Load/Full Load
Ta: 25 ℃
3．3说明：
3．3．1 L，N均需测。
3．3．2UL1012 R值为1K5。
TUV R值为2K/0。15uF。
3．3．3漏电流规格TUV：3。5mA,UL1012:5mA。
四．温度测试（Temperature Test）
4.1定义：
温度测试指PSU于正常工作下，其零件或Case温度不得超出其材质规
格或规格定值。
4．2测试条件：
I/P: Nominal
O/P: Full Load
Ta : 25℃
4．3测试方法：
4．3．1将Thermo Coupler(TYPE K)稳固的固定于量测的物体上
（速干、Tape或焊接方式）。
4．3．2 Thermo Coupler于末端绞三圈后焊成一球状测试。
4．3．3我们一般用点温计测量。
4．4测试零件：
热源及易受热源影响部分
例如：输入端子、Fuse、输入电容、输入电感、滤波电容、桥整、热
敏、突波吸收器、输出电容、输出电容、输出电感、变压器、铁芯、
绕线、散热片、大功率半导体、Case、热源零件下之P.C.B.……。
4．5零件温度限制：
4．5．1零件上有标示温度者，以标示之温度为基准。
4．5．2其他未标示温度之零件，温度不超过P.C.B.之耐温。
4．5．3电感显示个别申请安规者，温升限制65℃Max(UL1012),75℃ Max(TUV)。
五．输入电压调节率（Line Regulation）, %
5．1定义：
输入电压在额定范围内变化时，输出电压之变化率。
Vmax-Vnor
Line Regulation(+)=------------------
Vnor
Vnor-Vmin
Line Regulation(-)=------------------
Vnor
Vmax-Vmin
Line Regulation="----------------"
Vnor
Vnor:输入电压为常态值，输出为满载时之输出电压。
Vmax:输入电压变化时之最高输出电压。
Vmin:输入电压变化时之最低输出电压。
5．2测试条件：
I/P：Min./Nominal/Max
O/P:Full Load
Ta:25℃
5．3说明：
Line Regulation 亦可直接Vmax-Vnor与Vmin-Vnor之±最大
值以mV表示，再配合Tolerance%表示。
六．负载调节率 （Load Regulation）%
6．1定义：
输出电流于额定范围内变化（静态）时，输出电压之变化率。
|Vminl-Vcent|
Line Regulation(+)=------------------×100%
Vcent
|Vcent-VfL|
Line Regulation(-)=------------------×100%
Vcent
|VminL-VfL|
Line Regulation(%)=----------------×100%
Vcent
VmilL:最小负载时之输出电压
VfL:满载时之输出电压
Vcent:半载时之输出电压
6．2测试条件：
I/P：Nominal
O/P:Min./Half/Full Load
Ta:25℃
6．3Load Regulation亦可直接Vmin.L-Vcent与Vcent-Vmax.之±最大
值以mV表示，再配合Tolerance%表示。
第三部分 测试报告要求的项目：
对于电源部品认定测试， 测试报告要求提供测试数据及结论。来料检可根据要求减少测试项目，对于测试
不合格品的应该表明不合格的测试项。
一． 输入特性。
1． 工作输入电压和电压变动范围。
2． 输入电压的频率和频率变动范围。
3． 额定输入电流。是指在输入电压和输出电流在额定条件时的电流。
4． 输入下陷和瞬间停电。这是一种输入电压瞬间时下降或瞬断的状态，要用额定输出电压和电流加以限
定。测试的指标为电压和时间。
5． 冲击电流。
6． 漏电流。
7． 效率。因为该指标与发热有关，因此散热时要考虑效率。
8． 测试中要标明输入采用单相2线式还是3相三线式。
二． 输出特性。
1． 额定输出电压。
2． 额定输出电流。
3． 稳压精度。
1） 电压稳定度。
2） 电流调整率。
3） 纹波噪声。包括最大纹波电压；最大纹波噪声电压。
4． 瞬间电流变动导致的输出电压的变动值。
三． 附属功能要求。
1． 过流保护。
2． 过压保护。
3． 输入欠压保护。
4． 过热保护。
5． 绝缘电阻。输入端与壳体；输入端子和输出端子；输出端子和壳体。
6． 绝缘电压。打高压：输入与输出、输入和地、输入AC两级之间，根据国家标准制定高压值。
四． 结构规格。
1． 形状条件：如外包装机壳的有无等。
2． 确定外型尺寸和尺寸公差。
3． 安装条件：安装位置、安装孔、等。
4． 冷却条件：强制或自冷以及通风方向，风量和孔径尺寸。
5． 接口位置和标志。
6． 操作零部件（输出电压可调电阻、开关、指示灯）的位置和提示文字的位置。
7． 重量。
五． 使用环境条件。
1． 温度。
2． 湿度。
3． 耐振动、冲击。
六． 其它条件。
1． 输入噪声。
2． 浪涌。
3． 静电噪声（有外壳的有要求）
第二篇：RIGOL开关电源测试方案
RIGOL开关电源测试方案
近几年，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，程控交换机、通讯、电子设备、控制设备等都已广泛地使用了开关电源，大大促进了开关电源技术的迅速发展。在开关电源向高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化方向发展的同时，也对产品设计验证和功能测试提出了更为严格的要求。本文中将以国内测试测量厂商RIGOL（北京普源精仪科技有限责任公司）的产品为例介绍一些开关电源的常用测试方案。
本测试方案中用到的仪器分别是RIGOL DS1302CA数字示波器、DM3064数字万用表及DG系列函数/任意波形信号发生器。
数字示波器应用方案
1、瞬态响应信号测量：
负载瞬变时间是一项动态时间，它是负载电流瞬变后开关电源的输出电压稳定到预先规定稳定带内的时间。测量信号的过程中，示波器必须有足够的采样率和波形捕获率才能有效的捕获到需要的波形。我们通常所测的响应为?s或ms量级，而RIGOL的DS1302CA可以测量最小1.2ns的上升时间，完全可以捕获该瞬变信号。图2反映了电流由0.1mA到65mA的过程中电压瞬态变化情况。
2、及时发现有害波形信号
电源的开启延迟是从施加交流输入至输出达到其调整范围之内的时间。如果开关电源在开启时，有有害波形产生，即有可能损坏开关晶体管的电流尖峰。对于该有害波形，可以通过抑制电路等方法来消除。而通过用示波器的测量，我们就可以及时发现有害波形，并在电源开启的瞬间，有效地抑制有害信号的产生，间接提高后需电源的工作效率。图3是DS1302CA捕获的波形。
3、在系统中重现信号
如果捕捉到偶发、瞬时信号后不仅仅满足于对该信号的简单分析与计算，还希望能够在系统中重现该信号，那么RIGOL数字示波器与函数/任意波形信号发生器的无缝互连则可以提供完美的解决方案。DG3121A信号发生器可以通过专用接口直接访问DS1302CA的波形内存，从而在信号发生器上再现之前捕获的毛刺或偶发信号波形。通过这样的方法，可以再现信号，让测试测量更加方便。
4、同时测量输入输出信号
在开关电源测试中经常同时测量电路的输入和输出端，但输入和输出电压的差距较大给操作带来了一定难度。DS1302A的交替触发能够同时测量分析输入和输出两个信号，解决了操作上的难题。以往在中端示波器中，双通道同时显示时都是时基共用，而现在的产品就可用交替触发来实现两个通道各自有自己的时基，并且在各通道上可以选取不同的触发方式。如图5示，两个不同的信号，一个是Vpp=188V的信号，另一个是Vpp=102mV的信号，它们的频率分别为50Hz和20kHz。
5、捕获纹波和分析噪声
纹波和噪声是在所有其他参数恒定的条件下，在规定带宽内直流输出电压对其平均值的周期性和随机性偏离，它代表调整和滤波电路后面直流输出电压中所残存不需要的交流和噪声成分。纹波和噪声可以用有效值或峰峰值度量，峰峰值可以提供有关高幅度、短持续时间尖峰的信息，而有效值则有利于确定预期的信噪比。具体的讲，纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的2%以下。下面是DS1302CA观察的纹波信号波形：
数字万用表应用方案
1、开关电源漂移测量
漂移主要指电源输出电流或电压的周期和随机偏离。开关电源的漂移测量需要很长时间，并对测量精度要求较高。实际测量中我们一般会把所有测量出来的数据做一个统计，然后在这个统计值的基础上计算出它的PPM值，总时间在24小时左右。这个测试过程不但枯燥而且很容易出错，为了能让工程师的测量变得更加方便，并且让测量误差降到最小，RIGOL提供了DM3064万用表加PC控制的解决方案。
通常实验时，我们不但要满足测试精度和测试速度的高要求，还要保障一定量的测试时间。这样一来，如果长期值守，就难免会出现测量失误。为解决这个问题，我们可以通过计算机软件控制测量，让万用表采集每隔一段时间的电压、电流，而对于时间段的大小，工程师也可以任意设定，真正实现通过万用表轻松采集数据。DM3064可以实现一路最多采集200万个数据，如果要存储更多的数据也可以选择直接存储到U盘或者存储到电脑中。 使用DM3064的方便之处在于数据采集后其自带软件可以直接完成数据保存，把数据保存为txt或mdb数据库文件，以便于借助数学分析工具在电脑上直接对这些数据进行分析。
2、多路巡检测量
如果我们已经不满足于单路测量，希望实现多路同时测量，则可以选择DM3064的数据巡检功能多路巡检测量，最多能够实现一次同时测量16路信号。同时测量每个输出模块的电流电压后，可通过计算机软件统计出需要的数据，然后再对统计到的每路数据进行分析。 如果我们想看数据在巡检时候的波形，也可以打开波形显示，观察数据巡检时候的数据变化曲线。在波形图中，我们可以通过Ultralogger软件在PC上很直观地看到电压电流变化曲线。
RIGOL万用表针对数据的巡检和采集功能可以快速实现电流电压的巡检和数据采集。并且Ultralogger软件能通过GPIB和USB总线实现现场控制，也可以通过LAN实现远程控制，并且能把每个工作站的数据报告定期返回给远程的服务器。
3、温度测量
温度测量是电源产品测试过程中最重要的环节之一，现在的电源产品都要满足FEC、VDE、UL、CSA、FCC等温度测量标准，所以温度对于电源也是重要的测量参数之一。 随着电源技术的进步，产品对温度的要求越来越高。在测量过程中，可以用DM3064万用表加上温度传感器把采集到的物理信号转化为电信号，然后转化为相应的温度值。 同理，如果需要别的方面的应用，也可以使用相应的传感器进行测量，选择采集功能实现快速传感的测量功能。
其他应用测量
在开关电源行业中，需要模拟开关管开关的频率和同步频率来进行测量，在这类产品测试中，我们可以增加信号源来模拟开关电源在不同状态下的工作频率。也可以使用信号发生器发出的信号来模拟原控制信号。在此，我们除了可以选择上面提到的DG3121A，还可以选择DG2000系列和DG1000系列的信号源。另外，我们可以把上面的仪器都集成到测试系统中去，把信号源、万用表、示波器、功率计等绑定在一起，通过软件的控制可以来实现不同性能及其输入输出特性的测试，帮你实现生产线的自动化测试，如图10。
