更快、更小、更节能，开关电源迎来测试挑战

电子发烧友网报道（文/黄山明）作为电子设备中的重要组成部分，开关电源主要用于将输入电源转换为电子设备所需的电压和电流。其特点在于高效率、小型化、稳定性强等，已成为当前市场的主流产品。而在储能系统中，开关电源不仅负责能量的转换和管理，而且还提供了必要的保护机制，确保系统的安全稳定运行。
 
正是由于在储能中的重要位置，因此给开关电源进行综合测试至关重要。可以确保其在各种条件下都能可靠、高效地运行。这不仅提高了储能系统的整体性能，还降低了运营成本，并确保了用户的满意度和安全。
 
开关电源已成市场主流
 
1955年，美国人GH . Roger发明了自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，首创脉冲宽度调制（PWM）控制，为开关电源的研制打下理论基础。到了20世纪70年代，第一代民用标准化开关电源诞生，并在随后十几年间成为了符合全球通用规格的开关电源。其采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关频率均在50kHz左右。
 
当前开关电源已经形成了完善的上下游产业链，上游主要为开关电源IC芯片制造，中游电源制造商根据其掌握的不同水平的电源制造专业技术和生产能力为下游客户提供不同技术水平、类型的电源产品，下游主要为行业用户，储能便是其中之一。
 
据市场机构的数据显示，2023年开关电源市场规模约为3947亿元，较上年增长26.95%。公开数据显示，从开关电源的应用领域来看，目前我国的开关电源主要集中在工业领域，占比达53.94%，其次为消费电子领域，占比达33.05%。二者合计占比超过85%以上，行业需求领域集中度非常高。
 
2024年的市场分析报告显示，开关电源行业呈现高频化、小型集成化、节能低碳环保等发展趋势，并且预计随着技术的进步和市场需求的增长，开关电源将继续作为电源市场的主流产品。
 
从发展趋势来看，以储能行业为例，开关电源主要朝着高频化技术发展、数字化技术发展、低输出电压技术发展、模块化技术发展、小型集成化趋势这五个方面发展。
 
比如高频化，开关变换器的开关频率已经比以往有较大程度的提高。随着频率的提高，开关变换器的体积也在不断减少，为开关电源技术的不断完善提供了机遇。但同时，高频化开关技术也加速了开关内部元器件的损耗程度，并可能引发一系列问题。
 
此外，在数字化上，对于传统开关电源而言，模拟信号对控制部分的工作起到引导作用。目前，数字化控制已经是绝大部分设备所采用的控制方式，而开关电源同样也是数字化技术今后应用的主要领域。现阶段，数字化电源技术的研究已经成为科研人员攻关的主要方向，并且也取得了很多科研成果，这无疑对推动开关电源数字化技术的发展起到关键作用。
 
而在现阶段，对于微型处理器以及便携电子设备而言，其工作电压的稳定程度对于设备的使用有着关键作用，所以要求今后半导体装置变换器可以用更低的电压来确保微型处理器以及电子设备得以高质量的工作。
 
开关电源的测试挑战
 
作为电器产品中的核心，开关电源在产品中承担着重要职责，也意味着对开关电源的要求会更高，这也提出了更高的测试挑战。
 
比如变压器的饱和现象，在高压或低压输入、轻载、重载、容性负载、输出短路、动态负载和高温等条件下，通过变压器的电流可能呈现非线性增长。这种非线性增长可能导致电流峰值难以预测和控制，进而导致开关管过压损坏。
 
此外，对于PWM开关电源而言，如果相位点抖动过大，则可能导致系统不稳定。特别是在200kHz至500kHz的工作频率范围内，典型的抖动值应低于1纳秒。
 
还需要进行过压保护（OVP）和过流保护（OCP）测试，需要确保在过压或过流情况下，电源能够正确触发保护机制。例如，对于输出电压小于12V的情况，过压保护点通常设置为输出电压的1.8倍；而对于输出电压大于等于12V的情况，则设置为1.5倍。
 
还有对于开关电源的电源完整性（Power integrity，PI）测试，这是确认电源来源及目的端的电压及电流是否符合要求。如果是给高速数字电路供电的电源（例如笔记本电脑），需将电源的电能分配给不同电压的工作器件，涉及到PDN（Power Distribution Network）的概念，因而电源完整性的测量对象其实是电源分配网络PDN。PI会影响信号质量，包含电源设计和其他方面的内容，没有通用技术标准可供参考，解决起来比较复杂，但又很重要。
 
在测试峰值负载功率时，需要避免负载超过电源的额定功率，以防损坏电源。手动记录数据的方式既耗时又容易出错，因此自动化测试系统变得尤为重要。
 
而想要进行完整测试，需要有示波器、EMI接收机、谐波闪烁分析仪、频谱分析仪、矢量网络分析仪、隔离变压器、电子负载、交流电源、直流电源等。
 
比如示波器就是将信号调理电路调整输入信号（衰减或放大），以使其满足ADC的输入动态范围，其中ADC就是将输入的模拟信号转换为数字值存放于采集存储器中，然后计算机再对转换后的数字信号进行软件处理。
 
选择好的示波器通常要看三项指标，即带宽、采样率、存储深度，带宽是用来衡量一个示波器最大可以测多高频率的信号，当信号幅值下降为原来的0.707倍（-3db）时称为示波器前端放大器幅频特性曲线的截止频率点，即示波器的（模拟）带宽。
 
而采样率则是在1秒的时间内，对输入信号采集的次数，单位为Sample/s简记为Sa/s，即每秒钟采样的次数。存储深度为单次采集过程中，示波器可保存的离散采样点的最大个数，单位即pts（是points的缩写）。
 
因此建议在测量开关管时，带宽选择100MHz，采样率选25MSa/s，而测量电源纹波，则是20MHz，采样率250MSa/s，测量电源噪声，建议在500MHz，采样率5GSa/s，而想要测量电源的电快速瞬变脉冲群（EFT），建议选1GHz，采样率10GSa/s。存储深度最好都在10Mpts以上。
 
小结
 
开关电源的测试不仅涵盖广泛的项目，且每个项目均有严格的测试标准和复杂的方法，这对测试人员的专业能力和设备提出了较高要求。同时，通过严格的测试流程，确保了开关电源在各种极端条件下的安全性和稳定性，为电子设备的可靠运行提供了坚实保障。