使用数字荧光示波器调试功率因数校正电路

一、快捷简易地分析带有有源功率因数校正电路的开关电源中的波形

为了获得高功率因数，大多数开关电源设计都采用了有源功率因数校正电路。虽然这一设计可极大提高效率，但也给数字示波器的波形分析带来了许多麻烦。而现在，则可通过装有TDSPWR2功率测量和分析软件的TDS5000系列、TDS7054或TDS7104数字荧光示波器(DPO）大大加快设计和调试工作。

功率因数(PF)在技术方面是指实损耗的功率与视在功率之比，以0～1之间的小数表示。人们很早就知道，PF是正弦电压和电流波形之间的相位差。当AC 负载有电容或电感时，电流波形与电压不同相，而产生不被负载损耗的附加AC电流。这种附加电流可在电力电缆中产生12R的损耗。

当把开关电源视为AC负载时，它是非线性的，既非纯电感，也非纯电容。开关电源以与线路电压相同的脉冲输送电流。VRMS和IRMS的乘积些时大大高于实际损耗的功率，因此PF小于1。图1所示为典型的线路电压和线路电流波形。

每一位设计师都希望功率因数为1，从而最大限度的提高效率。为达此目的，设计师需要采用无源功率因数校正，或有源功率因数校正。大多数设计采用的是有源功率因数校正电路。

二、以DPO侦错功率因数校正电路

在设计带有有源功率因数校正电路的开关时电源时，用数字示波器分析波形的作业始终非常麻烦。在这些电路中，典型作法是在输入整流电桥的后面的一级升压变换电路。需要注意的是，此时开关电路的工作频率远高于线频率。这就需要有一个可变升压比，以在输入电压变化时保持输出电压的恒定。因此，开关电路的占空比须随输入电压的变化而变化。当输入电压低时，占空比高。反之，当线路电压高时，占空比低。为了分析这一行为，设计师需根椐电源线路每半个周期内的脉冲变化，详细检视升压变换器的每一个脉冲。如果设计师想了解负载和/或线路电压变化时的MOSFET和二极管上的电压承受力，这种分析则更为重要。

有源功率因数校正可稳定整流器前端的电流。开关变换器则可调节开关管开关的脉冲宽度或工作周期，使之符合线路电流和线路电压的波形。控制信息嵌入在电晶体时序的变量之中。

以前，设计人员是使用模拟示波器分析和调试50/60Hz的线路信号以及几百千赫的快速开关信号。在确定总体脉冲宽度调制(PWM)信号行为时，设计人员要逐位元地编译这一信息。

后来，设计人员开始转用具有所需性能的数字储存示波器，撷取低频信号以及快速的瞬态开关信号。这些信号有如下要求：

(1) 高取样速率，即能够在开关装置的时序信号上撷取嵌入信息的取样速率

(2) 深度记录长度，即能使设计人员观察到低频干线信号和开关信号的记录长度

但即使有了这些信息，设计人员仍需付出很多精力和时间，才能获得开关信号中的脉冲或工作周期变量。因为这些信息均需人工计算。此外，使用者不能在一般的数字存储示波器中自动量测功率因数。

TDSPWR2功率量测分析应用软件可使这些任务简单易行，它可提供：
　　(1) 电力品质量测功能
　　(2) 调制分析能力

设计人员可通过TDSPWR2中的电力品质量测功能，即时进行重要的电力品质量测。如果另寻其他方法，则只能依靠专用的功率分析仪。

功率因数值一旦确定，便可轻而易举地通过TDSPWR2的调制分析能力进步调试PWM信号。

TDSPWR2可用下列方法分析PWM信号：
　　(1) 脉冲宽度时域波形
　　(2) 占空比时域波形
　　(3) 周期时域波形
　　(4) 频率时域波形

通过TDSPWR2的这种调制分析功能和TDS5000/7000系列示波器的每秒5GS高取样速率，以及深度记录长度，设计人员便能够以高水平解析度，轻松地撷取线信号的两至三个周期和快速瞬态开关信号。TDSPWR2可自动计算脉冲宽度变量与时间的关系曲线。

此外，用户可以根据线路电压、电流信号以及脉冲宽度的时域波形来可检视PWM信号脉冲宽度变量随时间变化的曲线，以及线路电压和线路电流。这就提供了 PWM信号行为的一幅全景图，而在负载和线路电压变化之际，这正是保持所需的PF 所必不可少的信息。该应用软件可即时撷取PWM信号中的任何不合乎要求的瞬态。

三、结论

TDSPWR2软件的电力品质测量和调制分析能力，显著地缩短了设计和调试任务的周期。与TDS5000和TDS7000系列示波器的取样速率和存储深度结合使用时，该应用软件可使设计人员以最大的效率，轻松地调试带有有源功率校正电路的开关电源，得到接近1的功率因数指标。