電源、工業(yè)控制器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、DC-AC 逆變器或 UPS 所運(yùn)用的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換均具備能效高、尺寸小和重量輕的特點(diǎn)。但對(duì)線路供電型開關(guān)模式電源進(jìn)行測(cè)試或故障排除期間仍會(huì)面臨若干難以應(yīng)對(duì)的安全相關(guān)挑戰(zhàn)，這便需要設(shè)計(jì)人員采取一定的預(yù)防措施。

無論是處理高電壓、高溫、線路隔離，還是應(yīng)對(duì)最低負(fù)載要求和極高動(dòng)態(tài)范圍的電壓測(cè)量，操作都相當(dāng)有難度。本文將介紹建立一個(gè)安全的測(cè)試站所需的條件，包括實(shí)現(xiàn)輸入功耗控制、線路隔離、寬動(dòng)態(tài)范圍電壓測(cè)量和可編程負(fù)載控制所需的各類器件。

SMPS 測(cè)試安全問題

開關(guān)模式電源 (SMPS) 能在最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)打開和關(guān)閉高電壓，從而降低功率損耗。典型的線路供電型 SMPS 存在若干安全相關(guān)問題(圖 1)。

圖 1： 在典型的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) SMPS 中，高壓軌和低壓軌之間的差分電壓可能超過 670 伏

這是一個(gè)采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線路供電型電源。該電路的初級(jí)側(cè)以黃色突出顯示，對(duì)線路(電源)輸入進(jìn)行全波整流并將其應(yīng)用于初級(jí)軌。這意味著若使用 120 伏線路，高壓軌和低壓軌之間出現(xiàn)的電壓電平約為 340 伏，若使用 240 伏線路，該值會(huì)高于 670 伏。使用 15 伏以下電壓的技術(shù)人員和工程師可能需要知悉，這些電壓可能會(huì)致命，所以使用這些器件時(shí)必須格外小心。

此整流線路電壓將存儲(chǔ)于初級(jí)儲(chǔ)能電容器 C2 上。也就是說，即使將該電源與線路斷開，儲(chǔ)能電容器上所存儲(chǔ)的電荷還是有風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行故障排除前，應(yīng)將電源與線路斷開連接，并利用電阻器小心謹(jǐn)慎地對(duì)主要儲(chǔ)能電容器放電。

開關(guān) FET Q2 會(huì)在高壓軌和低壓軌之間切換。即使以高效方式運(yùn)行，此晶體管也會(huì)變得很熱，而且它通常會(huì)被安裝在散熱器上。散熱器周圍的測(cè)試操作員應(yīng)謹(jǐn)慎行事，以防被燒傷。

請(qǐng)注意，該電源的初級(jí)和次級(jí)區(qū)段會(huì)采用反激式變壓器 L2 和光隔離耦合器 Q4 進(jìn)行電隔離。次級(jí)區(qū)段在負(fù)極 (-) 輸出端接地，初級(jí)區(qū)段不接地。若使用接地輸入儀器(如示波器)進(jìn)行故障排除，這種接地方式便有問題。將示波器探頭的接地連接端與電源初級(jí)側(cè)的元件連接可能會(huì)導(dǎo)致短路，而且還會(huì)損壞主要元件和示波器。

SMPS 通常需要滿足一定的最低負(fù)載要求才能運(yùn)行;若負(fù)載不得當(dāng)，電源通常會(huì)關(guān)閉。

還有一點(diǎn)，鑒于使用的電壓之高，故障模式通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。例如，短路的橋式整流器 (D1-D4) 可能會(huì)向主要儲(chǔ)能電容器施加線路電壓，進(jìn)而導(dǎo)致電容器通過排氣孔排出電介質(zhì)，甚至?xí)苯右l(fā)爆炸。所以，設(shè)計(jì) SMPS 期間可能會(huì)出現(xiàn)噴出物。

安全的 SMPS 測(cè)試設(shè)置

SMPS 測(cè)試套件應(yīng)使用若干常用器件來最大限度地減少安全問題(圖 2)。

圖 2： SMPS 測(cè)試設(shè)置采用隔離變壓器、自耦變壓器、安全外殼和負(fù)載

隔離變壓器主要用于對(duì) SMPS 的初級(jí)區(qū)段進(jìn)行電氣隔離。一經(jīng)隔離，便可與初級(jí)電路中任意部分的探頭接地端連接。這樣初級(jí)電路便不會(huì)發(fā)生短路。若隔離變壓器(例如 Bel Signal Transformer，型號(hào) DU-2)同時(shí)具備初級(jí)和次級(jí)繞組，則可將其連接至 120 伏或 240 伏標(biāo)稱輸入。它可在 240 伏的電壓下提供 9 安培 (A) 的電流，亦可在 120 伏 (2 kVA) 的電壓下提供 18 安培 (A) 的電流。額定功率高達(dá) 10 kVA 的隔離變壓器極為常見。

自耦變壓器可用于緩慢升高施加于測(cè)試器件的線路電壓。執(zhí)行此操作時(shí)需監(jiān)控輸入電流，這樣便能在災(zāi)難性故障出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)故障元件。Staco Energy Products 型號(hào)為 3PN1010B 的產(chǎn)品是一款典型的自耦變壓器，可在 0-140 伏 (1.4 kVa) 的電壓下提供高達(dá) 10 A 的電流。請(qǐng)注意，自耦變壓器不提供線路隔離，所以必須與隔離變壓器配合使用才能實(shí)現(xiàn)該功能。

如前所述，對(duì) SMPS 進(jìn)行測(cè)試需使用負(fù)載。最常使用的負(fù)載為非感應(yīng)式電阻器，但請(qǐng)注意，阻性負(fù)載組也可能變得很熱，所以應(yīng)加以防護(hù)以免意外接觸。電子負(fù)載是能夠替代固定阻性負(fù)載組的替代方案，其負(fù)載可變。運(yùn)行負(fù)載調(diào)節(jié)和輸出電流折返等測(cè)試時(shí)，負(fù)載的控制能力非常重要。如果需進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，則可編程功能會(huì)是特別重要的考慮因素。

B&K Precision 型號(hào)為 8514 的產(chǎn)品是一款額定功率為 1200 W 的典型電子負(fù)載，它可通過 USB 進(jìn)行編程，在 0.1-120 V 的輸入電壓范圍內(nèi)以恒定電流、電壓、電阻或功耗模式運(yùn)行。電子負(fù)載還能模擬隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)負(fù)載。

8514 采用的安全外殼為測(cè)試器件和測(cè)試操作員之間提供一道物理屏障。它能在發(fā)生爆炸事故時(shí)保護(hù)附近的操作員。外殼還可進(jìn)行專門配置以冷卻測(cè)試器件和阻性負(fù)載組(如有使用)。此類裝置通?？煽焖龠B接測(cè)試器件和斷開連接。

線路隔離

單相交流線路具有熱線和中性線。中性線在配電系統(tǒng)中接地，但在電源處可能仍高于地電位幾伏電壓。這會(huì)導(dǎo)致該電源的初級(jí)區(qū)段沒有接地參考。將接地示波器探頭與初級(jí)電路的任意點(diǎn)連接都可能導(dǎo)致短路。

很多技術(shù)人員和工程師都試圖通過移除示波器的接地連接和使示波器“浮動(dòng)”來解決此問題。這種做法極其危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)使示波器外殼處于高出地電位幾百伏的環(huán)境。接觸示波器的任何人員都可能觸電身亡。

浮動(dòng)示波器的替代方案是使用隔離變壓器，相關(guān)連接如圖 2 所示。這樣便能將測(cè)試電源與交流線路分開。使用隔離變壓器后，可在初級(jí)電路中的任意點(diǎn)進(jìn)行接地連接，并將該點(diǎn)作為接地參考。

雖然采用這種方法可以進(jìn)行電壓測(cè)量，但使用專為測(cè)量高電壓而設(shè)計(jì)的差分探頭會(huì)更合適。差分探頭具備兩個(gè)輸入端(都不接地)，可測(cè)量輸入端之間的電壓差。只要用一個(gè)輸入端的電壓減去另一端的電壓便能算出電壓差(圖 3)。

圖 3： 差分探頭的概念示意圖顯示探頭輸出是 + 和 - 輸入之間的差值

差分探頭的差分測(cè)量會(huì)衰減兩個(gè)輸入端共有的任何電壓信號(hào)(稱為共模信號(hào))。共模信號(hào)的衰減量是差分探頭的品質(zhì)因數(shù)，被稱為共模抑制比 (CMRR)，以分貝 (dB) 表示。

高壓差分探頭在匹配差分輸入之前使用高衰減來測(cè)量高壓。如圖 3 所示，電阻器 R1 和 R2 會(huì)形成一個(gè)補(bǔ)償衰減器，而電阻器 R3 和 R4 又會(huì)形成另一個(gè)。將衰減器的輸出施加至采用三個(gè)運(yùn)算放大器的差分放大器的輸入端。只要認(rèn)真匹配元件和確保對(duì)稱的 PCB 布局，便能獲得較準(zhǔn)確的 CMRR。

CMRR 非常重要，因?yàn)?SMPS 中的電壓測(cè)量可能需要高動(dòng)態(tài)范圍。電源的初級(jí)側(cè)持續(xù)轉(zhuǎn)換 340 伏電壓，并且轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)較快。這些信號(hào)可輻射至整個(gè)器件。試著測(cè)量電源 FET 上的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此信號(hào)低于 10 伏，受到這些高壓共模信號(hào)的影響，很難看到。使用具有較高 CMRR 的差分探頭可抑制干擾信號(hào)。

諸如 Cal Test Electronics 型號(hào)為 CT3681 的探頭運(yùn)用了 X100 或 X1000 用戶可選衰減特性(圖 4)。這些探頭的最大額定電壓為 700 V (X100) 或 7 kV (X1000)，CMRR 在 50 Hz 和 20 kHz 時(shí)分別為 -80 dB 和 -60 dB，帶寬為 70 MHz。這類探頭的優(yōu)勢(shì)在于在輸出端使用標(biāo)準(zhǔn) BNC 連接器，而非專有探頭接口，這使得它們可與所有示波器兼容。

圖 4： Cal Test Electronics CT3681 70 MHz 高壓差分探頭。此探頭提供兩種量程，可支持 700 伏和 7000 伏的最大輸入電壓。它的 CMRR 在 50 Hz 和 20 kHz 時(shí)分別為 -80 dB 和 -60 dB

總結(jié)

盡管線路供電型 SMPS 極為流行和實(shí)用，但在測(cè)試期間還是會(huì)存在安全問題。不過如文中所述，只要結(jié)合可靠的工程實(shí)踐并采用常用元件(如隔離變壓器、自耦變壓器、電子負(fù)載和差分探頭)，便能顯著降低這些風(fēng)險(xiǎn)。