RIGOL開關(guān)電源測試方案
[導讀]本文中將以國內(nèi)測試測量廠商RIGOL（北京普源精儀科技有限責任公司）的產(chǎn)品為例介紹一些開關(guān)電源的常用測試方案。
近幾年，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，程控交換機、通訊、電子設(shè)備、控制設(shè)備等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，大大促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。在開關(guān)電源向高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化方向發(fā)展的同時，也對產(chǎn)品設(shè)計驗證和功能測試提出了更為嚴格的要求。本文中將以國內(nèi)測試測量廠商RIGOL（北京普源精儀科技有限責任公司）的產(chǎn)品為例介紹一些開關(guān)電源的常用測試方案。
本測試方案中用到的儀器分別是RIGOL DS1302CA數(shù)字示波器、DM3064數(shù)字萬用表及DG系列函數(shù)/任意波形信號發(fā)生器。
數(shù)字示波器應(yīng)用方案
1、瞬態(tài)響應(yīng)信號測量：
負載瞬變時間是一項動態(tài)時間，它是負載電流瞬變后開關(guān)電源的輸出電壓穩(wěn)定到預先規(guī)定穩(wěn)定帶內(nèi)的時間。測量信號的過程中，示波器必須有足夠的采樣率和波形捕獲率才能有效的捕獲到需要的波形。我們通常所測的響應(yīng)為µs或ms量級，而RIGOL的DS1302CA可以測量最小1.2ns的上升時間，完全可以捕獲該瞬變信號。圖2反映了電流由0.1mA到65mA的過程中電壓瞬態(tài)變化情況。
2、及時發(fā)現(xiàn)有害波形信號
電源的開啟延遲是從施加交流輸入至輸出達到其調(diào)整范圍之內(nèi)的時間。如果開關(guān)電源在開啟時，有有害波形產(chǎn)生，即有可能損壞開關(guān)晶體管的電流尖峰。對于該有害波形，可以通過抑制電路等方法來消除。而通過用示波器的測量，我們就可以及時發(fā)現(xiàn)有害波形，并在電源開啟的瞬間，有效地抑制有害信號的產(chǎn)生，間接提高后需電源的工作效率。圖3是DS1302CA捕獲的波形。
3、在系統(tǒng)中重現(xiàn)信號
如果捕捉到偶發(fā)、瞬時信號后不僅僅滿足于對該信號的簡單分析與計算，還希望能夠在系統(tǒng)中重現(xiàn)該信號，那么RIGOL數(shù)字示波器與函數(shù)/任意波形信號發(fā)生器的無縫互連則可以提供完美的解決方案。DG3121A信號發(fā)生器可以通過專用接口直接訪問DS1302CA的波形內(nèi)存，從而在信號發(fā)生器上再現(xiàn)之前捕獲的毛刺或偶發(fā)信號波形。通過這樣的方法，可以再現(xiàn)信號，讓測試測量更加方便。
4、同時測量輸入輸出信號
在開關(guān)電源測試中經(jīng)常同時測量電路的輸入和輸出端，但輸入和輸出電壓的差距較大給操作帶來了一定難度。DS1302A的交替觸發(fā)能夠同時測量分析輸入和輸出兩個信號，解決了操作上的難題。以往在中端示波器中，雙通道同時顯示時都是時基共用，而現(xiàn)在的產(chǎn)品就可用交替觸發(fā)來實現(xiàn)兩個通道各自有自己的時基，并且在各通道上可以選取不同的觸發(fā)方式。如圖5示，兩個不同的信號，一個是Vpp=188V的信號，另一個是Vpp=102mV的信號，它們的頻率分別為50Hz和20kHz。
5、捕獲紋波和分析噪聲
紋波和噪聲是在所有其他參數(shù)恒定的條件下，在規(guī)定帶寬內(nèi)直流輸出電壓對其平均值的周期性和隨機性偏離，它代表調(diào)整和濾波電路后面直流輸出電壓中所殘存不需要的交流和噪聲成分。紋波和噪聲可以用有效值或峰峰值度量，峰峰值可以提供有關(guān)高幅度、短持續(xù)時間尖峰的信息，而有效值則有利于確定預期的信噪比。具體的講，紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的2%以下。下面是DS1302CA觀察的紋波信號波形：
數(shù)字萬用表應(yīng)用方案
1、開關(guān)電源漂移測量
漂移主要指電源輸出電流或電壓的周期和隨機偏離。開關(guān)電源的漂移測量需要很長時間，并對測量精度要求較高。實際測量中我們一般會把所有測量出來的數(shù)據(jù)做一個統(tǒng)計，然后在這個統(tǒng)計值的基礎(chǔ)上計算出它的PPM值，總時間在24小時左右。這個測試過程不但枯燥而且很容易出錯，為了能讓工程師的測量變得更加方便，并且讓測量誤差降到最小，RIGOL提供了DM3064萬用表加PC控制的解決方案。
通常實驗時，我們不但要滿足測試精度和測試速度的高要求，還要保障一定量的測試時間。這樣一來，如果長期值守，就難免會出現(xiàn)測量失誤。為解決這個問題，我們可以通過計算機軟件控制測量，讓萬用表采集每隔一段時間的電壓、電流，而對于時間段的大小，工程師也可以任意設(shè)定，真正實現(xiàn)通過萬用表輕松采集數(shù)據(jù)。DM3064可以實現(xiàn)一路最多采集200萬個數(shù)據(jù)，如果要存儲更多的數(shù)據(jù)也可以選擇直接存儲到U盤或者存儲到電腦中。
使用DM3064的方便之處在于數(shù)據(jù)采集后其自帶軟件可以直接完成數(shù)據(jù)保存，把數(shù)據(jù)保存為txt或mdb數(shù)據(jù)庫文件，以便于借助數(shù)學分析工具在電腦上直接對這些數(shù)據(jù)進行分析。
2、多路巡檢測量
如果我們已經(jīng)不滿足于單路測量，希望實現(xiàn)多路同時測量，則可以選擇DM3064的數(shù)據(jù)巡檢功能多路巡檢測量，最多能夠?qū)崿F(xiàn)一次同時測量16路信號。同時測量每個輸出模塊的電流電壓后，可通過計算機軟件統(tǒng)計出需要的數(shù)據(jù)，然后再對統(tǒng)計到的每路數(shù)據(jù)進行分析。
如果我們想看數(shù)據(jù)在巡檢時候的波形，也可以打開波形顯示，觀察數(shù)據(jù)巡檢時候的數(shù)據(jù)變化曲線。在波形圖中，我們可以通過Ultralogger軟件在PC上很直觀地看到電壓電流變化曲線。
RIGOL萬用表針對數(shù)據(jù)的巡檢和采集功能可以快速實現(xiàn)電流電壓的巡檢和數(shù)據(jù)采集。并且Ultralogger軟件能通過GPIB和USB總線實現(xiàn)現(xiàn)場控制，也可以通過LAN實現(xiàn)遠程控制，并且能把每個工作站的數(shù)據(jù)報告定期返回給遠程的服務(wù)器。
3、溫度測量
溫度測量是電源產(chǎn)品測試過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)在的電源產(chǎn)品都要滿足FEC、VDE、UL、CSA、FCC等溫度測量標準，所以溫度對于電源也是重要的測量參數(shù)之一。
隨著電源技術(shù)的進步，產(chǎn)品對溫度的要求越來越高。在測量過程中，可以用DM3064萬用表加上溫度傳感器把采集到的物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。
同理，如果需要別的方面的應(yīng)用，也可以使用相應(yīng)的傳感器進行測量，選擇采集功能實現(xiàn)快速傳感的測量功能。
其他應(yīng)用測量
在開關(guān)電源行業(yè)中，需要模擬開關(guān)管開關(guān)的頻率和同步頻率來進行測量，在這類產(chǎn)品測試中，我們可以增加信號源來模擬開關(guān)電源在不同狀態(tài)下的工作頻率。也可以使用信號發(fā)生器發(fā)出的信號來模擬原控制信號。在此，我們除了可以選擇上面提到的DG3121A，還可以選擇DG2000系列和DG1000系列的信號源。另外，我們可以把上面的儀器都集成到測試系統(tǒng)中去，把信號源、萬用表、示波器、功率計等綁定在一起，通過軟件的控制可以來實現(xiàn)不同性能及其輸入輸出特性的測試，幫你實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化測試，如圖10。
本測試方案中用到的儀器分別是RIGOL DS1302CA數(shù)字示波器、DM3064數(shù)字萬用表及DG系列函數(shù)/任意波形信號發(fā)生器。
數(shù)字示波器應(yīng)用方案
1、瞬態(tài)響應(yīng)信號測量：
負載瞬變時間是一項動態(tài)時間，它是負載電流瞬變后開關(guān)電源的輸出電壓穩(wěn)定到預先規(guī)定穩(wěn)定帶內(nèi)的時間。測量信號的過程中，示波器必須有足夠的采樣率和波形捕獲率才能有效的捕獲到需要的波形。我們通常所測的響應(yīng)為µs或ms量級，而RIGOL的DS1302CA可以測量最小1.2ns的上升時間，完全可以捕獲該瞬變信號。圖2反映了電流由0.1mA到65mA的過程中電壓瞬態(tài)變化情況。
2、及時發(fā)現(xiàn)有害波形信號
電源的開啟延遲是從施加交流輸入至輸出達到其調(diào)整范圍之內(nèi)的時間。如果開關(guān)電源在開啟時，有有害波形產(chǎn)生，即有可能損壞開關(guān)晶體管的電流尖峰。對于該有害波形，可以通過抑制電路等方法來消除。而通過用示波器的測量，我們就可以及時發(fā)現(xiàn)有害波形，并在電源開啟的瞬間，有效地抑制有害信號的產(chǎn)生，間接提高后需電源的工作效率。圖3是DS1302CA捕獲的波形。
3、在系統(tǒng)中重現(xiàn)信號
如果捕捉到偶發(fā)、瞬時信號后不僅僅滿足于對該信號的簡單分析與計算，還希望能夠在系統(tǒng)中重現(xiàn)該信號，那么RIGOL數(shù)字示波器與函數(shù)/任意波形信號發(fā)生器的無縫互連則可以提供完美的解決方案。DG3121A信號發(fā)生器可以通過專用接口直接訪問DS1302CA的波形內(nèi)存，從而在信號發(fā)生器上再現(xiàn)之前捕獲的毛刺或偶發(fā)信號波形。通過這樣的方法，可以再現(xiàn)信號，讓測試測量更加方便。
4、同時測量輸入輸出信號
在開關(guān)電源測試中經(jīng)常同時測量電路的輸入和輸出端，但輸入和輸出電壓的差距較大給操作帶來了一定難度。DS1302A的交替觸發(fā)能夠同時測量分析輸入和輸出兩個信號，解決了操作上的難題。以往在中端示波器中，雙通道同時顯示時都是時基共用，而現(xiàn)在的產(chǎn)品就可用交替觸發(fā)來實現(xiàn)兩個通道各自有自己的時基，并且在各通道上可以選取不同的觸發(fā)方式。如圖5示，兩個不同的信號，一個是Vpp=188V的信號，另一個是Vpp=102mV的信號，它們的頻率分別為50Hz和20kHz。
5、捕獲紋波和分析噪聲
紋波和噪聲是在所有其他參數(shù)恒定的條件下，在規(guī)定帶寬內(nèi)直流輸出電壓對其平均值的周期性和隨機性偏離，它代表調(diào)整和濾波電路后面直流輸出電壓中所殘存不需要的交流和噪聲成分。紋波和噪聲可以用有效值或峰峰值度量，峰峰值可以提供有關(guān)高幅度、短持續(xù)時間尖峰的信息，而有效值則有利于確定預期的信噪比。具體的講，紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的2%以下。下面是DS1302CA觀察的紋波信號波形：
數(shù)字萬用表應(yīng)用方案
1、開關(guān)電源漂移測量
漂移主要指電源輸出電流或電壓的周期和隨機偏離。開關(guān)電源的漂移測量需要很長時間，并對測量精度要求較高。實際測量中我們一般會把所有測量出來的數(shù)據(jù)做一個統(tǒng)計，然后在這個統(tǒng)計值的基礎(chǔ)上計算出它的PPM值，總時間在24小時左右。這個測試過程不但枯燥而且很容易出錯，為了能讓工程師的測量變得更加方便，并且讓測量誤差降到最小，RIGOL提供了DM3064萬用表加PC控制的解決方案。
通常實驗時，我們不但要滿足測試精度和測試速度的高要求，還要保障一定量的測試時間。這樣一來，如果長期值守，就難免會出現(xiàn)測量失誤。為解決這個問題，我們可以通過計算機軟件控制測量，讓萬用表采集每隔一段時間的電壓、電流，而對于時間段的大小，工程師也可以任意設(shè)定，真正實現(xiàn)通過萬用表輕松采集數(shù)據(jù)。DM3064可以實現(xiàn)一路最多采集200萬個數(shù)據(jù)，如果要存儲更多的數(shù)據(jù)也可以選擇直接存儲到U盤或者存儲到電腦中。
使用DM3064的方便之處在于數(shù)據(jù)采集后其自帶軟件可以直接完成數(shù)據(jù)保存，把數(shù)據(jù)保存為txt或mdb數(shù)據(jù)庫文件，以便于借助數(shù)學分析工具在電腦上直接對這些數(shù)據(jù)進行分析。
2、多路巡檢測量
如果我們已經(jīng)不滿足于單路測量，希望實現(xiàn)多路同時測量，則可以選擇DM3064的數(shù)據(jù)巡檢功能多路巡檢測量，最多能夠?qū)崿F(xiàn)一次同時測量16路信號。同時測量每個輸出模塊的電流電壓后，可通過計算機軟件統(tǒng)計出需要的數(shù)據(jù)，然后再對統(tǒng)計到的每路數(shù)據(jù)進行分析。
如果我們想看數(shù)據(jù)在巡檢時候的波形，也可以打開波形顯示，觀察數(shù)據(jù)巡檢時候的數(shù)據(jù)變化曲線。在波形圖中，我們可以通過Ultralogger軟件在PC上很直觀地看到電壓電流變化曲線。
RIGOL萬用表針對數(shù)據(jù)的巡檢和采集功能可以快速實現(xiàn)電流電壓的巡檢和數(shù)據(jù)采集。并且Ultralogger軟件能通過GPIB和USB總線實現(xiàn)現(xiàn)場控制，也可以通過LAN實現(xiàn)遠程控制，并且能把每個工作站的數(shù)據(jù)報告定期返回給遠程的服務(wù)器。
3、溫度測量
溫度測量是電源產(chǎn)品測試過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)在的電源產(chǎn)品都要滿足FEC、VDE、UL、CSA、FCC等溫度測量標準，所以溫度對于電源也是重要的測量參數(shù)之一。
隨著電源技術(shù)的進步，產(chǎn)品對溫度的要求越來越高。在測量過程中，可以用DM3064萬用表加上溫度傳感器把采集到的物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。
同理，如果需要別的方面的應(yīng)用，也可以使用相應(yīng)的傳感器進行測量，選擇采集功能實現(xiàn)快速傳感的測量功能。
其他應(yīng)用測量
在開關(guān)電源行業(yè)中，需要模擬開關(guān)管開關(guān)的頻率和同步頻率來進行測量，在這類產(chǎn)品測試中，我們可以增加信號源來模擬開關(guān)電源在不同狀態(tài)下的工作頻率。也可以使用信號發(fā)生器發(fā)出的信號來模擬原控制信號。在此，我們除了可以選擇上面提到的DG3121A，還可以選擇DG2000系列和DG1000系列的信號源。另外，我們可以把上面的儀器都集成到測試系統(tǒng)中去，把信號源、萬用表、示波器、功率計等綁定在一起，通過軟件的控制可以來實現(xiàn)不同性能及其輸入輸出特性的測試，幫你實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化測試，如圖10。
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