开关电源中开关管的功耗如何测量分析

从传统的模拟型电源到高效的开关电源，电源的种类和大小千差万别。它们都要面对复杂、动态的工作环境。设备负载和需求可能在瞬间发生很大变化。即使是日常使用的开关电源，也要能够承受远远超过其平均工作电平的瞬间峰值。设计电源或系统中要使用电源的工程师需要了解在静态条件以及最差条件下电源的工作情况。

了解这些影响的一个关键参数是在开关过程中发生的功率损耗。理想情况下，开关器件打开(on)和关闭(off)是没有损耗的。实际情况是：在从“off”状态转换到“on”状态的过程中，电源会发生较高的功率损耗；而开关设备处于“on”或“off”状态时的功率损耗较低，因为流过设备的电流或加在设备上的电压相当小。

过去，要描述电源的行为特征，就意味着要使用数字万用表测量静态电流和电压，并用计算器或PC 进行艰苦的计算。今天，大多数工程师转而将示波器作为他们的首选电源测量平台。现代示波器可以配备集成电源测量和分析软件，简化了设置，并使得动态测量更为容易。用户可以定制关键参数、自动计算，并能在数秒钟内看到结果，而不只是原始数据。

精确测量功率损耗的测试设置

图1是开关电源简化的电路图。由40 kHz 时钟驱动的MOSFET控制着电流。图1中的MOSFET没有连接到AC市电接地或电路输出接地上，因此使用示波器进行简单的参考接地电压测量有可能是行不通的，因为把探头的地线连接到任何MOSFET端子上有可能会使通过示波器接地的该点短路。这时借助差分电压探头是个比较好的方案。

 

 

图1 开关电源简化的电路图

进行差分测量是测量MOSFET电压波形的最佳途径。通过差分测量，可以测量漏极到源极电压 (VDS)，其可能会位于几十伏到几百伏的电压顶部，具体取决于电源范围。

在开关电源中进行任何功率损耗测量前，非常重要的一点是同步电压信号和电流信号，消除传输延迟，这一过程称为“偏移校正”。传统方法要求计算电压信号和电流信号之间的偏移，然后使用示波器的偏移校正范围手动调节偏移。但是，这种方法耗时非常长。通过使用配备偏移校正夹具和相关软件可以非常简便的进行校正操作。

计算开关管上的开关功率损耗

要计算开关管上的开关功率损耗，就必须要辨别开关管上的开关过程和导通过程。只有识别出具体的开关过程，才能准确的计算。一个典型的开关管开关波形如下图2所示。

 

 

图2 开关管开关时波形

大部分功率和能量损耗出现在开关管开关过程，即开关管打开和关闭期间。切换过程中，开关管达到和退出饱和，并短暂地表现出线性特性。开关管导通时也会产生功率和能量损耗。此时，电压为开关管最小饱和电压，并产生电流。非导通状态时的损耗通常微不足道，理论上可视为零。通过使用相关的软件，配合示波器可以自动测量一个开关周期的损耗。如图3所示。

 

 

图3 软件计算开关功耗

在非导通状态，电流非常的小，几乎接近于0。在导通状态，电压非常小，由于示波器的垂直分辨率的原因，导致可能捕获的到的信号不准确，因为非导通状态下，电压值可以为几百伏，为了采集到这么高的电压，垂直每格分辨率可能到几十到几百V/div，而此时导通状态下，电压可能就几十毫伏。

ZDS2000系列标配的电源分析软件为您提供了一个有效的解决办法，您可以把设备技术数据中的RDSON或VCEsat值输入，如果被测电压位于示波器的灵敏度范围内，使用采集的数据进行计算，否则使用用户输入的数据来计算。