手把手教你用示波器進(jìn)行電源功率分析
在實(shí)際的應(yīng)用中，工程師們經(jīng)常遇到需要進(jìn)行功率測(cè)量的場(chǎng)景，除卻專門的功率分析儀可以完成測(cè)量之外，日常使用的示波器也能為其所用。
理論來(lái)說(shuō)，功率等于電壓乘以電流，而示波器是電壓響應(yīng)儀器，如何來(lái)進(jìn)行功率分析呢？示波器配備電流探頭后，通過(guò)電流探頭把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，即可達(dá)到測(cè)量電流的目的，因此示波器可以測(cè)量功率。X陽(yáng)科技SDS系列示波器具備功能完善的電源分析軟件。我們可以借助SDS系列示波器方便、高效地分析開(kāi)關(guān)電源效率及可靠性。那么具體如何操作呢？下面就手把手教大家如何用示波器測(cè)量功率。
首先讓我們明確示波器功率分析能做到哪些功能:
1. 分析整體諧波失真、有效功率、視在功率、功率因素、波峰因素
2. 根據(jù)IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電流諧波測(cè)試
3. 測(cè)量開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。
4. 分析電流和電壓的轉(zhuǎn)換速率dl/dt和dV/dt
5. 自動(dòng)設(shè)置示波器紋波測(cè)量
6. 對(duì)脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行分析
我們通過(guò)測(cè)試功率和分析諧波來(lái)展示SDS的電源分析功能。
功率測(cè)試：通過(guò)對(duì)電源輸入功率的計(jì)算可以了解到電源輸入端電壓與電流的情況，反映輸入端的電源能量消耗情況。
諧波測(cè)試：由于電源諧波的產(chǎn)生會(huì)增大電源系統(tǒng)的諧波損耗，降低電源利用率，使電源負(fù)載等設(shè)備過(guò)載運(yùn)行，縮短使用壽命，也有可能發(fā)生諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致各個(gè)器件因電流過(guò)大或電壓過(guò)大而損壞，所以諧波參數(shù)測(cè)試和分析至關(guān)重要。
1、SDS2000X (已開(kāi)通功率分析選件)
2、開(kāi)關(guān)電源模塊，可輸出24V直接電壓
3、高壓差分探頭DPB4080，最高可測(cè)電壓1600Vpp
4、一個(gè)電流探頭CP4050，最高可測(cè)電流70A
5、一個(gè)20W、50歐負(fù)載
測(cè)試前準(zhǔn)備通道時(shí)滯校準(zhǔn)
要進(jìn)行準(zhǔn)確的功率損耗測(cè)量，必須使用DF2001A時(shí)滯校準(zhǔn)裝置執(zhí)行電流和電壓通道時(shí)滯校準(zhǔn)。通道時(shí)滯校準(zhǔn)可校正電流和電壓探頭之間的時(shí)間延遲。開(kāi)始時(shí)需要執(zhí)行一次時(shí)滯校準(zhǔn)，并在任何硬件設(shè)置部分改變（例如，不同的探頭、不同的示波器通道等）或環(huán)境溫度改變后，均需再次執(zhí)行一次時(shí)滯校準(zhǔn)。時(shí)滯校準(zhǔn)界面如下圖1。
按下圖，連接好之后，按下自動(dòng)消除時(shí)滯進(jìn)行校準(zhǔn)并等待校準(zhǔn)完成。如圖2所示。
使用電源分析對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，需保證被測(cè)設(shè)備的正確連接，再通過(guò)信號(hào)設(shè)置以及其它的參數(shù)設(shè)置，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。
電源質(zhì)量
電源質(zhì)量分析顯示 AC 輸入線的質(zhì)量。AC 的部分電流可能會(huì)流進(jìn)負(fù)載又從負(fù)載流出但不傳輸能量，這種電流稱為無(wú)功電流，會(huì)使“視在”功率上升，使其大于消耗的實(shí)際功率。電源質(zhì)量由下列測(cè)量進(jìn)行計(jì)量：AC 線的電流和電壓的均方根、功率因數(shù)、有效功率、視在功率、無(wú)功功率、波峰因數(shù)及相位角。
示波器設(shè)置與電路連線
1、選定“電源質(zhì)量”。從分析菜單項(xiàng)選中“電源質(zhì)量”。
2、將探頭連接到被測(cè)設(shè)備以及示波器。
1）在電壓探頭上選擇100X的衰減。
2）將電壓探頭D+ 連接到AC輸入端的火線。
3）將電壓探頭D- 連接到AC輸入端的零線。
4）將電流探頭連接到AC輸入端的火線，箭頭方向指向電流流動(dòng)方向，并設(shè)置 500mV/A的量程。
5）將電壓和電流探頭分別連接到示波器CH1和CH2通道。
6）作為參照同時(shí)接入SDM3065X測(cè)量其輸入電壓。
7）下圖3為實(shí)物連接圖
圖3 實(shí)物連接圖
4、分別按下“電壓”和“電流”軟鍵，對(duì)應(yīng)設(shè)置CH1為電壓通道，CH2為電流通道。
5、設(shè)置CH1的電壓衰減倍數(shù)為100X和CH2的電流衰減倍數(shù)為2X。
6、按下“周期”軟鍵，設(shè)定一次采集中捕獲的最小周期數(shù)為4。
7、按下“自動(dòng)設(shè)置”軟鍵，示波器將會(huì)自動(dòng)設(shè)置電壓和電流通道的垂直電壓檔位、垂直偏移和水平電壓等。
8、返回電源應(yīng)用分析菜單。
9、在電源應(yīng)用分析菜單中，按下 “類型”軟鍵，然后旋轉(zhuǎn)萬(wàn)能旋鈕
電壓均方根：AC線電壓的均方根。
電流均方根：AC線電流的均方根。
功率因數(shù)：AC線有效功率與視在功率的比。
有效功率：在AC波形的完整周期上平均計(jì)算得到的部分功率通量，它在一個(gè)方向上產(chǎn)生能量的凈傳遞。
視在功率：由于存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生的部分AC線功率通量，它在每個(gè)周期中都返回到源。視在功率=IRMS* VRMS。
無(wú)效功率：視在功率和有效功率之間由于電抗而產(chǎn)生的差異。使用功率三角形（視在功率2=有效功率2+無(wú)效功率2），無(wú)效功率=（視在功率2-有效功率2）1/2。
電壓波峰因數(shù)：是負(fù)載所需的瞬時(shí)峰值A(chǔ)C線電壓和RMS電壓之間的比率，也就是Vpeak/VRMS。
電流波峰因數(shù)：是負(fù)載所需的瞬時(shí)峰值A(chǔ)C線電流和RMS電流之間的比率，也就是Ipeak/IRMS。
相位角：在功率三角形（視在功率2=有效功率2+無(wú)效功率2）中，相位角是視在功率與有效功率之間的角，表示無(wú)用功率的量。相位角越小，無(wú)用功率就越小。
由于每屏幕最多只能測(cè)量五組測(cè)試參數(shù)，因此通過(guò)兩屏進(jìn)行測(cè)試。第一屏幕，測(cè)試電壓均方根、電流均方根、視在功率、有效功率、無(wú)效功率，測(cè)量結(jié)果為圖4
4、第二屏幕設(shè)置功率因素、電壓波峰因素、電流波峰因素和相角，測(cè)量結(jié)果為圖5
5、測(cè)試結(jié)果如下：
為驗(yàn)證負(fù)載的實(shí)際功率。我們把SDM3065X作為電流表接入到負(fù)載電路中，如圖6所示；同時(shí)把高壓差分探頭和電流探頭接入到負(fù)載電路中。在功率分析中，選擇電壓均方根、電流均方根、有效功率。結(jié)果如圖7所示：
圖6 參考電流測(cè)試
測(cè)試結(jié)果
1、從表格可以看出萬(wàn)用表與高壓差分探頭測(cè)試的電壓相近。
2、電流探頭與萬(wàn)用表沒(méi)得的電源存在3毫安的差異。萬(wàn)用表作為精確測(cè)量?jī)x器且直接接入電路中，其測(cè)量非常準(zhǔn)確；電流探頭通過(guò)電磁變化測(cè)量其電流，說(shuō)明其測(cè)量精度也非常高。
3、可以計(jì)算得出此電源的效率為100%*10.78W/17.01W=63.37%。
開(kāi)關(guān)電源在使用AC線路供電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列諧波，這些諧波會(huì)傳回AC線路，并導(dǎo)致AC線路上其他設(shè)備受干擾，因此國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）針對(duì)使用AC線路不同的設(shè)備設(shè)定了其各個(gè)電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)限值IEC61000-3-2。 使用電流諧波分析可對(duì)開(kāi)關(guān)電源的40次以內(nèi)的電流諧波是否滿足IEC61000-3-2（A、B、【C類不支持】D類）進(jìn)行分析。
1、選定“電流諧波”。從“分析”菜單項(xiàng)選中“電流諧波”。
2、在電源應(yīng)用分析菜單中，進(jìn)入“設(shè)置”軟鍵，進(jìn)入設(shè)置菜單。
3、在“線路頻率”菜單中，設(shè)定輸入線路的頻率為50Hz。
4、在“標(biāo)準(zhǔn)”菜單中，選擇要在電流諧波上執(zhí)行符合測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 61000-3-2 A類：適用于平衡三相設(shè)備、家用電器（除D類設(shè)備外）、工具（除便攜式工具外）、白熾燈調(diào)光器及音頻設(shè)備。
IEC 61000-3-2 B類：適用于便攜式工具。
IEC 61000-3-2 C類（不支持）：適用于普通照明設(shè)備。
IEC 61000-3-2 D類：適用于額定功率小于或等于600W的設(shè)備，類型如下：個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示器和電視接收器。
此次選定為A類
5. 返回電源應(yīng)用分析菜單。
6. 按下“應(yīng)用”軟鍵，將執(zhí)行電流諧波分析。屏幕上會(huì)顯示使用Hanning窗計(jì)算的FFT波形，F(xiàn)FT波形顯示了輸入電流中的頻率分量。下圖即顯示了各諧波的測(cè)量值。
測(cè)試結(jié)果
總結(jié)
從測(cè)量結(jié)果看，功率分析把電源質(zhì)量及諧波等性能參數(shù)均作了詳細(xì)測(cè)試且測(cè)量結(jié)果符合要求。以六位半萬(wàn)用表為測(cè)量參考也證明了示波器的測(cè)量非常精準(zhǔn)。因?yàn)槭静ㄆ鞯膸捄筒蓸勇识己芨?，所以示波器不但可以做穩(wěn)定分析，還可以做瞬態(tài)參數(shù)測(cè)試，如MOS管上升時(shí)間，開(kāi)關(guān)損耗等瞬態(tài)參數(shù)。而SDS系列示波器均具備這些參數(shù)測(cè)量功能，可以充分滿足開(kāi)關(guān)電源的各種測(cè)試要求。