手把手教你用示波器進行電源功率分析
2021-01-19
在實際的應用中，工程師們經常遇到需要進行功率測量的場景，除卻專門的功率分析儀可以完成測量之外，日常使用的示波器也能為其所用。
理論來說，功率等于電壓乘以電流，而示波器是電壓響應儀器，如何來進行功率分析呢？示波器配備電流探頭后，通過電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，即可達到測量電流的目的，因此示波器可以測量功率。鼎陽科技SDS2000X系列示波器具備功能完善的電源分析軟件。我們可以借助SDS2000X系列示波器方便、高效地分析開關電源效率及可靠性。
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IEC61000-3-2標準進行電流諧波測試
3. 測量開關設備的開關損耗和導通損耗。
4. 分析電流和電壓的轉換速率dl/dt和dV/dt
5. 自動設置示波器紋波測量
6. 對脈沖寬度調制進行分析
測試內容
我們通過測試功率和分析諧波來展示SDS2000X的電源分析功能。
功率測試：通過對電源輸入功率的計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。
諧波測試：由于電源諧波的產生會增大電源系統的諧波損耗，降低電源利用率，使電源負載等設備過載運行，縮短使用壽命，也有可能發生諧振現象，導致各個器件因電流過大或電壓過大而損壞，所以諧波參數測試和分析至關重要。
測試工具
1、SDS2000X (已開通功率分析選件)
2、開關電源模塊，可輸出24V直接電壓
3、高壓差分探頭DPB4080，最高可測電壓1600Vpp
4、一個電流探頭CP4050，最高可測電流70A
5、一個20W、50歐負載
測試前準備
通道時滯校準
要進行準確的功率損耗測量，必須使用DF2001A時滯校準裝置執行電流和電壓通道時滯校準。通道時滯校準可校正電流和電壓探頭之間的時間延遲。開始時需要執行一次時滯校準，并在任何硬件設置部分改變（例如，不同的探頭、不同的示波器通道等）或環境溫度改變后，均需再次執行一次時滯校準。時滯校準界面如下圖1。
圖1 時滯校準界面
按下圖，連接好之后，按下自動消除時滯進行校準并等待校準完成。如圖2所示。
圖2 時滯校準
執行電源分析
使用電源分析對電源設備進行測量，需保證被測設備的正確連接，再通過信號設置以及其它的參數設置，最后對結果進行分析。
電源質量
電源質量分析顯示 AC 輸入線的質量。AC 的部分電流可能會流進負載又從負載流出但不傳輸能量，這種電流稱為無功電流，會使“視在”功率上升，使其大于消耗的實際功率。電源質量由下列測量進行計量：AC 線的電流和電壓的均方根、功率因數、有效功率、視在功率、無功功率、波峰因數及相位角。
示波器設置與電路連線
1、選定“電源質量”。從分析菜單項選中“電源質量”。
2、將探頭連接到被測設備以及示波器。
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方向，并設置 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）作為參照同時接入SDM3065X測量其輸入電壓。
7）下圖3為實物連接圖
圖3 實物連接圖
3、按下“信號”軟鍵，進入信號設置菜單。
4、分別按下“電壓”和“電流”軟鍵，對應設置CH1為電壓通道，CH2為電流通道。
5、設置CH1的電壓衰減倍數為100X和CH2的電流衰減倍數為2X。
6、按下“周期”軟鍵，設定一次采集中捕獲的最小周期數為4。
7、按下“自動設置”軟鍵，示波器將會自動設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、返回電源應用分析菜單。
9、在電源應用分析菜單中，按下 “類型”軟鍵，然后旋轉萬能旋鈕分別選擇電源質量分析以下測量類型：
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：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算得到的部分功率通量，它在一個方向上產生能量的凈傳遞。
視在功率：由于存儲的能量產生的部分AC線功率通量，它在每個周期中都返回到源。視在功率=IRMS * VRMS。
無效功率：視在功率和有效功率之間由于電抗而產生的差異。使用功率三角形（視在功率2=有效功率2 + 無效功率2），無效功率=（視在功率2 - 有效功率2）1/2。
電壓波峰因數：是負載所需的瞬時峰值AC線電壓和RMS電壓之間的比率，也就是Vpeak/VRMS。
電流波峰因數：是負載所需的瞬時峰值AC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，表示無用功率的量。相位角越小，無用功率就越小。
由于每屏幕最多只能測量五組測試參數，因此通過兩屏進行測試。第一屏幕，測試電壓均方根、電流均方根、視在功率、有效功率、無效功率，測量結果為圖4
4、第二屏幕設置功率因素、電壓波峰因素、電流波峰因素和相角，測量結果為圖5
5、測試結果如下：
圖4 測試結果-1
圖5 測試結果-2
為驗證負載的實際功率。我們把SDM3065X作為電流表接入到負載電路中，如圖6所示；同時把高壓差分探頭和電流探頭接入到負載電路中。在功率分析中，選擇電壓均方根、電流均方根、有效功率。結果如圖7所示：
圖6 參考電流測試
圖 7 負載測試
測試結果
電源質量分析
1、從表格可以看出萬用表與高壓差分探頭測試的電壓相近。
2、電流探頭與萬用表沒得的電源存在3毫安的差異。萬用表作為精確測量儀器且直接接入電路中，其測量非常準確；電流探頭通過電磁變化測量其電流，說明其測量精度也非常高。
3、可以計算得出此電源的效率為100%*10.78W/17.01W=63.37%。
電流諧波
開關電源在使用AC線路供電時，會產生一系列諧波，這些諧波會傳回AC線路，并導致AC線路上其他設備受干擾，因此國際電工委員會（IEC）針對使用AC線路不同的設備設定了其各個電流諧波的標準限值IEC61000-3-2。 使用電流諧波分析可對開關電源的40次以內的電流諧波是否滿足IEC61000-3-2（A、B、【C類不支持】D類）進行分析。
1、選定“電流諧波”。從“分析”菜單項選中“電流諧波”。
2、在電源應用分析菜單中，進入“設置”軟鍵，進入設置菜單。
3、在“線路頻率”菜單中，設定輸入線路的頻率為50Hz。
4、在“標準”菜單中，選擇要在電流諧波上執行符合測試的標準。
IEC 61000-3-2 A類：適用于平衡三相設備、家用電器（除D類設備外）、工具（除便攜式工具外）、白熾燈調光器及音頻設備。
IEC 61000-3-2 B類：適用于便攜式工具。
IEC 61000-3-2 C類（不支持）：適用于普通照明設備。
IEC 61000-3-2 D類：適用于額定功率小于或等于600W的設備，類型如下：個人計算機顯示器和電視接收器。
此次選定為A類
5. 返回電源應用分析菜單。
6. 按下“應用”軟鍵，將執行電流諧波分析。屏幕上會顯示使用Hanning窗計算的FFT波形，FFT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量值。
圖8 各諧波的測量值
測試結果
從表中可以了解到所測的電流諧波均滿足IEC61000-3-2標準限值。
總結
從測量結果看，功率分析把電源質量及諧波等性能參數均作了詳細測試且測量結果符合要求。以六位半萬用表為測量參考也證明了示波器的測量非常精準。因為示波器的帶寬和采樣率都很高，所以示波器不但可以做穩定分析，還可以做瞬態參數測試，如MOS管上升時間，開關損耗等瞬態參數。而SDS2000X系列示波器均具備這些參數測量功能，可以充分滿足開關電源的各種測試要求。我們將在后續的文章中對瞬態測試進行進一步的講解。以上內容來自——鼎陽硬件設計與測試智庫
以上就是手把手教你用示波器進行電源功率分析全部內容，如果您想進一步了解示波器的更多使用方法，歡迎致電長沙艾克賽普儀器設備有限公司：0731-84284278。Accexp是一家專注于儀器工控設備、測試方案系統集成的科技企業。作為專業的儀器儀表公司及測控集成ATE提供商，多年來堅持自主研發創新，結合引進代理各大知名品牌的優質儀器設備，致力于提供更科學智能的軟硬件測試方案。
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