采用反激式拓撲結構SMPS測試安全問題

導讀

無論是處理高電壓、高溫、線路隔離，還是應對最低負載要求和極高動態(tài)范圍的電壓測量，操作都相當有難度。本文將介紹建立一個安全的測試站所需的條件，包括實現(xiàn)輸入功耗控制、線路隔離、寬動態(tài)范圍電壓測量和可編程負載控制所需的各類器件。

電源、工業(yè)控制器、DC-DC 轉換器、DC-AC 逆變器或 UPS 所運用的開關模式電源轉換均具備能效高、尺寸小和重量輕的特點。但對線路供電型開關模式電源進行測試或故障排除期間仍會面臨若干難以應對的安全相關挑戰(zhàn)，這便需要設計人員采取一定的預防措施。

無論是處理高電壓、高溫、線路隔離，還是應對最低負載要求和極高動態(tài)范圍的電壓測量，操作都相當有難度。本文將介紹建立一個安全的測試站所需的條件，包括實現(xiàn)輸入功耗控制、線路隔離、寬動態(tài)范圍電壓測量和可編程負載控制所需的各類器件。

SMPS 測試安全問題

開關模式電源 (SMPS) 能在最短的轉換時間內打開和關閉高電壓，從而降低功率損耗。典型的線路供電型 SMPS 存在若干安全相關問題。

這是一個采用反激式拓撲結構的線路供電型電源。該電路的初級側以黃色突出顯示，對線路（電源）輸入進行全波整流并將其應用于初級軌。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，該值會高于 670 伏。使用 15 伏以下電壓的技術人員和工程師可能需要知悉，這些電壓可能會致命，所以使用這些器件時必須格外小心。

此整流線路電壓將存儲于初級儲能電容器 C2 上。也就是說，即使將該電源與線路斷開，儲能電容器上所存儲的電荷還是有風險。進行故障排除前，應將電源與線路斷開連接，并利用電阻器小心謹慎地對主要儲能電容器放電。

開關 FET Q2 會在高壓軌和低壓軌之間切換。即使以高效方式運行，此晶體管也會變得很熱，而且它通常會被安裝在散熱器上。散熱器周圍的測試操作員應謹慎行事，以防被燒傷。

請注意，該電源的初級和次級區(qū)段會采用反激式變壓器 L2 和光隔離耦合器 Q4 進行電隔離。次級區(qū)段在負極 (-) 輸出端接地，初級區(qū)段不接地。若使用接地輸入儀器（如示波器）進行故障排除，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側的元件連接可能會導致短路，而且還會損壞主要元件和示波器。

SMPS 通常需要滿足一定的最低負載要求才能運行；若負載不得當，電源通常會關閉。

還有一點，鑒于使用的電壓之高，故障模式通常會導致嚴重的后果。例如，短路的橋式整流器 (D1-D4) 可能會向主要儲能電容器施加線路電壓，進而導致電容器通過排氣孔排出電介質，甚至會直接引發(fā)爆炸。所以，設計 SMPS 期間可能會出現(xiàn)噴出物。

安全的 SMPS 測試設置

SMPS 測試套件應使用若干常用器件來最大限度地減少安全問題。

隔離變壓器主要用于對 SMPS 的初級區(qū)段進行電氣隔離。一經隔離，便可與初級電路中任意部分的探頭接地端連接。這樣初級電路便不會發(fā)生短路。若隔離變壓器（例如Bel Signal Transformer，型號DU-2）同時具備初級和次級繞組，則可將其連接至 120 伏或 240 伏標稱輸入。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 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試器件的線路電壓。執(zhí)行此操作時需監(jiān)控輸入電流，這樣便能在災難性故障出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)故障元件。Staco Energy Products型號為3PN1010B的產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 10 A 的電流。請注意，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現(xiàn)該功能。

如前所述，對 SMPS 進行測試需使用負載。最常使用的負載為非感應式電阻器，但請注意，阻性負載組也可能變得很熱，所以應加以防護以免意外接觸。電子負載是能夠替代固定阻性負載組的替代方案，其負載可變。運行負載調節(jié)和輸出電流折返等測試時，負載的控制能力非常重要。如果需進行自動化測試，則可編程功能會是特別重要的考慮因素。

B＆K Precision型號為8514的產品是一款額定功率為 1200 W 的典型電子負載，它可通過 USB 進行編程，在 0.1-120 V 的輸入電壓范圍內以恒定電流、電壓、電阻或功耗模式運行。電子負載還能模擬隨時間而變化的動態(tài)負載。

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

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。這會導致該電源的初級區(qū)段沒有接地參考。將接地示波器探頭與初級電路的任意點連接都可能導致短路。

很多技術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”來解決此問題。這種做法極其危險，因為它會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。

浮動示波器的替代方案是使用隔離變壓器，相關連接如圖 2 所示。這樣便能將測試電源與交流線路分開。使用隔離變壓器后，可在初級電路中的任意點進行接地連接，并將該點作為接地參考。

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

差分探頭的差分測量會衰減兩個輸入端共有的任何電壓信號（稱為共模信號）。共模信號的衰減量是差分探頭的品質因數(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量高壓。如圖 3 所示，電阻器 R1 和 R2 會形成一個補償衰減器，而電阻器 R3 和 R4 又會形成另一個。將衰減器的輸出施加至采用三個運算放大器的差分放大器的輸入端。只要認真匹配元件和確保對稱的 PCB 布局，便能獲得較準確的 CMRR。

CMRR 非常重要，因為 SMPS 中的電壓測量可能需要高動態(tài)范圍。電源的初級側持續(xù)轉換 340 伏電壓，并且轉換時間相對較快。這些信號可輻射至整個器件。試著測量電源 FET 上的柵極驅動信號。此信號低于 10 伏，受到這些高壓共模信號的影響，很難看到。使用具有較高 CMRR 的差分探頭可抑制干擾信號。

諸如Cal Test Electronics型號為CT3681的探頭運用了 X100 或 X1000 用戶可選衰減特性。這些探頭的最大額定電壓為 700 V (X100) 或 7 kV (X1000)，CMRR 在 50 Hz 和 20 kHz 時分別為 -80 dB 和 -60 dB，帶寬為 70 MHz。這類探頭的優(yōu)勢在于在輸出端使用標準 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 極為流行和實用，但在測試期間還是會存在安全問題。不過如文中所述，只要結合可靠的工程實踐并采用常用元件（如隔離變壓器、自耦變壓器、電子負載和差分探頭），便能顯著降低這些風險。