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)面對(duì)若干難以應(yīng)對(duì)的安全相關(guān)挑戰(zhàn)，這便要設(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。

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)重要儲(chǔ)能電容器放電。

開關(guān)FETQ2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)損壞重要元件和示波器。

SMpS通常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)向重要儲(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。

隔離變壓器重要用于對(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BelSignalTransformer，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伏的電壓下供應(yīng)9安培(A)的電流，亦可在120伏(2kVA)的電壓下供應(yīng)18安培(A)的電流。額定功率高達(dá)10kVA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。StacoEnergyproducts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(1.4kVa)的電壓下供應(yīng)高達(dá)10A的電流。請(qǐng)注意，自耦變壓器不供應(yīng)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)載組的替代方法，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。假如需進(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＆Kprecision型號(hào)為8514的產(chǎn)品是一款額定功率為1200W的典型電子負(fù)載，它可通過USB進(jìn)行編程，在0.1-120V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)試操作員之間供應(yīng)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）。此類裝置通常可快速連接測(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)示波器的替代方法是使用隔離變壓器，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。

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)镾MpS中的電壓測(cè)量可能要高動(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CalTestElectronics型號(hào)為CT3681的探頭運(yùn)用了X100或X1000用戶可選衰減特性。這些探頭的最大額定電壓為700V(X100)或7kV(X1000)，CMRR在50Hz和20kHz時(shí)分別為-80dB和-60dB，帶寬為70MHz。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。

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)。