示波器理想电压探头模式测量开关电源输出

电源的额定输出功率，电压，电压频率是关系用电负载能否正常工作的三个最重要的电源技术指标。开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展应用最普遍一种电源方式。

开关电源适用面很广，现在有关开关电源的输出电压特性，有的产品说明书标明是直流电压，有的实验证明是工频脉冲电压。有产品标明是20—500KHZ以上的高频电压。到底开关电源输出的电压频率是多少?电压占空比是多少?从可查阅的开关电源输出电压波形科技图片资料、生产厂家的产品都不够明确，说明目前还没有比较有说服力的实验方法可以把各种开关电源类型的电压特性，都能进行确定的测量方式。

　　一，正确认识开关电源输出的电压波形

　　开关电源实际是一种高频开关式的能量变换电子负载，它的一次回路串联在供电电源上，二次回路常作为设备的电源供应，常见的变换分类有：Ac-Dc,Dc-Dc,Dc-Ac等。

　　将工频电压或直流电压斩波转换成高频电压给负载供电是开关电源技术应用的核心，因此不可避免在电压频率的转换过程中形成频繁电压，电流断续干扰纹波信号，反相电压波信号以及无功电流信号等不同频率混杂电压波，一但测量方法选择不当，就可能出现错误的测试结果。

　　我们可以通过一款实用开关电源电路来分析它的电压频率变换工作原理。参见图1-1。

　　图1-1

　　这是一款AC-DC的开关电源电路，现在绝大多数的开关电源工作原理基本类似以上电路工作原理：由4部分电路完成能量变换。1、交流电源输入经整流滤波成直流，2、通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,，开关变压器初级形成一定占空比例的高频断续脉冲方波3、开关变压器次级感应出相应高频电压方波,经整流、滤波、限流供给负载，4、输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。

　　从以上开关电源的电路工作原理分析，工频电压经过整流虑波成为直流电压，通过触发电路控制开关管阴，阳极进行高速的导通与截止.将直流电斩波转化为高频直流脉冲电压提供给变压器进行变压，从而在次级产生所需要的一组直流脉冲电压，开关管的开关频率就是变压器次级电压输出电压频率，

　　虽然如今示波器的采样速率和探头的模拟带宽在不断发展，但在测量快速变化断续脉冲式电压时示波器基本都会出现波形再现性不理想或无法正确观测波形的现象、其原因就是被测电子电路电压低且电压波断续速度很快，占空比例不同，加上电网的谐波，无功电流波等强弱、频率变化电压的影响，传统示波器测量方式很难适应这种电压质量变化造成的。

　　二，常规示波器靠接测量开关电源电压特性的方式及缺陷

　　长期以来对开关电源电压特性的测量有两主种主要的方式，1，无源电压探头靠接电源输出端测量，2，电流探头回路电流波磁场感应电压测量。其中应用最多的是靠接测量方式。

　　见示意图2—1，用20M以上数字示波器，10：1无源探头，将探针直接接触开关电源正输出端子，地线环直接接触负输出端，这种测试方法从示波器显示屏看不出开关电源输出比较稳定的直流斩波的占空时间周期和频宽波形，示波器普遍会显示一条有电源纹波和噪声信号的连续电压信号，见附图2-2。图2-3，因此对同一型号的开关电源产品测试时因为示波器的扫描时基档位以及其他采样方式设置不同，电压频率显示值变化非常大，测试人员会根据显示不规则变化的几KHZ-几百KHZ的微弱电压纹波，噪声波频率电压信号，来判断开关电源的开关频率(电压频率)。也可能把示波器测量时的电压幅值的水平线显示，当作直流电压输出。所以这种测量方法的误差很大，甚至产生错误的测量结果。

　　图2—1

　　图2—2

　　图2—3

　　所以为改善示波器对低电压，高频率，非线性负载的电压特性的测量效果，探索新型电压采样方式非常必要，以下简要介绍一种实用效果非常理想的测量方式。

　　三，示波器理想电压探头模式测量负载电压特性方法

　　1、示波器理想电压探头模式的优势，特点说明：参见附图3-1，本项测量技术性能可能与图表最理想的性能参数有不太吻合的地方，测量模型方案是一致的，

　　图3-1

2、示波器理想电压探头模型的组合

　　参见附图3-2，由数字示波器，1×1无源探头，若干只大功率毫欧级阻值电阻器组合。

　　图3-2

　四，示波器理想电压探头模型测开关电源电压特性实际应用效果，

　　以下是通过图3-3的测量方式检测一款标定开关频率是100KHZ的开关电源模块的输入、输出电压特性图片。参见图4-1,示波器GH1，20mv档测开关电源的输入电流频率，示波器CH2，200mv档测开关电源的输出电压频率，示波器扫描时基为500us，每个脉冲电压波之间时间是400us，所以正确的输出电压频率是1÷0.0004=2.5KHZ,从示波器两个显示通道的显示电压曲线分析，开关电源输入端与输出端的电信号波形，时间周期是完全一致的。

　　图4-1

　　以下是通过图3-3的测量方式检测另一款标定开关频率40-60KHZ的开关电源模块的频率，参见附图4-2，示波器CH1测量开关电源的输入端的输入电流频率波形、占空比， CH2测开关电源的输出电压频率，占空比，输入与输端的波形也完全一致，每个电压脉冲之间的时间是1ms，因此该款的开关频率(电压频率)是1KHZ.。

　　图4-2

　　图片4-3是所测的一款标定开关频率40KHZ开关电源空载波形显示，经过脉冲波之间的时间分析，它的工作频率电压是1.2KHZ。

　　图4-3

　　五。示波器理想电压探头测量模式的特点

　　从以上展示的示波器理想电压探头模型测量开关电源电压特性的研究和测量效果分析，示波器理想电压探头模式对电路电压波形测量方式联接方法灵活多变、波形显示清晰稳定、有一致性、再现性好的特点，其测量方式安全性好，结构简单，操作方便，可以对任何负载，线路的电压波形进行测量，同时能够满足中远距离采样测量，是电力负荷电压特性测试准确可靠的有效方法，这项电压波采样方式将大大提高示波器测量的准确性，为电气工作者的科学研究，产品生产，质量检验提供可靠的信息资源。