淺談集成穩(wěn)壓器調整率參數的測量原理和方法

集成穩(wěn)壓器又稱集成穩(wěn)壓電源，電路形式大多采用串聯穩(wěn)壓方式。集成穩(wěn)壓器與分立元件穩(wěn)壓器相比具有外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，因而得到了廣泛應用。集成穩(wěn)壓器按引出線端子多少和使用情況大致可分為三端固定式、三端可調式、多端可調式及單片開關式等幾種。

一、 集成穩(wěn)壓器調整率參數的測量原理和方法

集成穩(wěn)壓器 (以下簡稱穩(wěn)壓器) 是電子設備普遍使用的器件，調整率參數則是反映集成穩(wěn)壓器性能的主要和關鍵參數，主要有電壓調整率、電流調整率和功率調整率 (熱調整率)。調整率參數的測量原理見圖1。

電壓調整率參數 SV 的定義為 ：

當輸出電流 IL 和環(huán)境溫度 Ta 保持不變時，由于輸入電壓 VI 變化所引起的輸出電壓 VO 的相對變化量。

電流調整率 (負載調整率) 的定義為 ：

當輸入電壓 VO 和環(huán)境溫度 Ta 保持不變時，由于輸出電流 IL 變化所引起的輸出電壓 VO 的相對變化量。

功率調整率定義為 ：

當輸入電壓 VO、輸出電流 IL 和環(huán)境溫度 Ta 保持不變時，由于功率脈沖導致器件芯片溫度 Tj 變化所引起的輸出電壓 VO 的相對變化量。

二、影響調整率參數測試精度的原因分析及相應措施

影響調整率參數測試精度的原因主要有以下幾個方面 ：

1. 在輸出電壓 VO 下檢測試 ΔVO 小變化量信號

穩(wěn)壓器的各調整率參數的測試都需要精確測量輸出電壓 VO 的相對變化量ΔVO，該變化量ΔVO 與輸出電壓 VO 相比，通常是一個很小的數。穩(wěn)壓器的電壓輸出 VO 一般在幾伏、十幾伏甚至幾十伏，而ΔVO 通常只有幾十毫伏、幾毫伏甚至只有零點幾毫伏。為保證測試精度有以下幾種方法可供選擇 ：

a. 增加電壓表的位數。

電壓測量可采用雙積分法測量和逐位逼進法測量。雙積分法比較容易得到較多的測試數位和較高的測量精度，但由于積分時間長 (幾十到幾百毫秒)，采樣速率降低，不能滿足國軍標穩(wěn)壓器詳細規(guī)范對測試時間的要求。

逐位逼進 A/D 具有較高的采樣速率，可滿足國軍標規(guī)定的測試時間要求，但要滿足穩(wěn)壓器輸出電壓變化量ΔVO 的測量精度和分辨力，需要采用 16 位 (或以上) 逐位逼進A/D，這通常需要昂貴的價格。

b. 采樣保持器電壓補償法。

采樣保持器電壓補償法的測試原理如圖2，用采樣保持器保持輸出電壓變化前的數值 VO1，用差分放大器比較和放大其和輸出電壓變化后的數值 VO2 的差值，即輸出電壓變化量 ΔVO。采用采樣保持器電壓補償法可以用較小的電壓量程來測量輸出電壓變化量 ΔVO。因此可降低 A/D 的數位，進而降低了測試成本。但采樣保持器在工作中容易受到各種干擾，特別是負載電流的突變造成的干擾，因此影響測試數據的穩(wěn)定性。

c. D/A 電壓補償法

D/A 電壓補償法的測試原理如圖3，該方法與采樣保持器電壓補償法相似，只是用 D/A 代替采樣保持器，差分放大器的一個輸入端接入要進行測量的輸出電壓 VO，另一端接入一補償 D/A ，并程控其電壓與 VO 相近。在輸出電壓 VO 的變化前進行一次 A/D 采樣得到 VO1，在輸出電壓 VO 隨輸入電壓 VI (或輸出電流 IL) 變化后再進行一次 A/D 采樣得到 VO2，將兩次 A/D 采樣得到的值相減，得到所需的ΔVO 值。采用該方法與采樣保持器電壓補償法相比同樣可降低 A/D 的數位，因而同樣可降低測試成本，但因 D/A 的電壓穩(wěn)定性和抗干擾能力優(yōu)于采樣保持器，加之D/A 電壓補償法需進行兩次 A/D 采樣，可以消除系統(tǒng)誤差，因此具有更好的測試效果。只是在測試前需要先進行一次 VO 的測試，以確定 D/A 的補償電壓值，這對于自動化測試系統(tǒng)不成為問題。

由于 D/A 電壓補償法與其它方法相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、成本低等特點，同時測試時序符合國軍標有關詳細規(guī)范的規(guī)定，因此 D/A 電壓補償法是最佳的選擇。

2. 器件熱效應對輸出電壓 VO 變化量測試的影響

在穩(wěn)壓器的調整率參數測試過程中，需要對被測器件施加相應的輸入電壓 VI 和輸出電流 IL，這樣使被測試器件承受一定的功率，由于器件熱阻的存在，這一功率將導致被測器件的芯片溫度 Tj 上升。而穩(wěn)壓器的輸出電壓 VO 自身也是溫度的函數，因此在進行電壓調整率 SV 和 電流調整率 SI 的測量中所得到的輸出電壓變化量 ΔVO 中，一方面包含了由于輸入電壓 VI (或輸出電流 IL) 的變化導致的輸出電壓 VO 變化，這正是我們要需要測試的。但另一方面由于被測器件承受功率的變化，也會導致器件的溫度系數影響輸出電壓 VO 的數值，這樣就干擾了ΔVO 的測量，對器件的測量時間越長，這一問題就越突出。

為解決這一問題，在國軍標詳細規(guī)范 (例如 GJB 597/42-96) 中對測試時序做了明確的要求，其測試時序如圖4

標準規(guī)定要在電壓脈沖 (或電流脈沖) 的前沿前 0.5 mS 進行初始測試，在前沿后 0.5 mS 進行最終測試。這一時間的確定一方面是考慮了穩(wěn)壓器輸出電壓 VO 隨輸入電壓 VI (或輸出電流 IL) 的變化需要一定的穩(wěn)定時間，另一方面也考慮了盡量減小由于器件熱效應對 VO 測量的影響。標準同時對電壓脈沖 (或電流脈沖)的寬度也做了明確的規(guī)定。

為了符合標準規(guī)定的測試時序，對測試系統(tǒng)中提供輸入電壓 VO 的程控恒壓源和提供輸出電流 IL 的程控恒流源 (電子負載) 提出了較高的性能要求。除了要滿足測試所需的電壓 (電流) 精度外，測試脈沖應具有良好的瞬態(tài)特性，即有徒直的脈沖前后沿及平坦的脈沖頂部，同時還要有效抑制測試過程中的自激振蕩。為了滿足這一要求，需對測試系統(tǒng)中的程控恒壓源和恒流源進行精心的設計和調試。

3. 測試系統(tǒng)附加電阻和接觸電阻對輸出電壓變化量ΔVO 測試的影響

在測試系統(tǒng)中從程控電子負載到被測器件之間總會存在電纜和導線，系統(tǒng)中為了完成不同類別器件的測試切換，也總會有一些接插轉換環(huán)節(jié)，測試適配器插座和被測器件的引腳之間也需經過接插來實現，這就構成了系統(tǒng)的附加電阻和接觸電阻。這些電阻雖然很小 (毫歐量級)，但在安培量級的電流下會造成毫伏量級的壓降，例如 1.5A 的輸出電流流過 10 mΩ 的電阻將產生 15mV 的壓降，這對于毫伏量級的ΔVO 的測試來說，已經不可容忍。由于接觸電阻的不穩(wěn)定性，也無法采用扣除一個固定數值的方法來彌補 ΔVO 數據的不準確和不穩(wěn)定。因此國軍標詳細規(guī)范中明確規(guī)定對穩(wěn)壓器的輸出端必須使用開爾文連接。

所謂開爾文連接即要求在測試系統(tǒng)中從程控電源、電子負載、電壓測量裝置到被測器件的引腳全線采用開爾文四端法連接。除了系統(tǒng)的連線方式外，最終連接被測器件的測試插座必須采用開爾文四端插座。只有這樣才能有效扣除系統(tǒng)內部的附加電阻和接觸電阻，保證調整率參數測試的真實性和準確性。

4. 測試系統(tǒng)中各種干擾對輸出電壓變化量ΔVO 測試的影響

在自動化測試系統(tǒng)中，還有各種干擾會對輸出電壓變化量ΔVO 的測量造成影響，主要有高頻干擾、工頻干擾和隨機干擾幾種。

高頻干擾主要來自測試系統(tǒng)中的微機部分，CPU 工作時控制總線、數據總線和地址總線上都有上兆頻率的高頻信號，這些高頻數字信號通過地線系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及一些數?；旌闲酒瑫蓴_系統(tǒng)模擬部分的工作和測量。

工頻干擾主要來自電網，50 Hz 交流及 100 Hz 半波脈動干擾信號會通過地線系統(tǒng)及電源系統(tǒng)干擾系統(tǒng)模擬部分的工作和測量，電源變壓器的漏磁也是一個不可忽略的因素。

隨機干擾也主要來自電網，電網中大功率電器的啟動和關閉會使電網產生隨機的尖峰干擾，當這種干擾發(fā)生在 A/D 采樣過程中的話，將嚴重影響測試數據的精度。

為排除上述各種干擾對輸入電壓變化量ΔVO 測試的影響，測試系統(tǒng)需采取以下各種措施 ：

a. 將輸出電壓 VO 的測量部分放入遠離電源變壓器的測試盒內，并采取屏蔽措施。

b. 采用無電流模擬地線技術，有效隔離數字地線和模擬地線，減少通過模擬地線引入干擾。

c. 采用有效的數字處理和軟件濾波技術，并用軟件調整測試采樣周期，使其為工頻周期的整數倍。

d. 在采樣保持器采樣及 A/D 轉換過程中利用 WAIT 信號迫使 CPU 的總線信號暫停工作，給模擬系統(tǒng)一個“安靜”的采樣環(huán)境。

e. 用 74HC 三態(tài)總線驅動器隔離系統(tǒng)數據總線和 D/A 芯片，杜絕從 D/A 芯片引入高頻干擾。

f. 采用高頻獨石電容對系統(tǒng)所需部位進行有效的高頻濾波。

g. 對 PCB 板合理布局、布線，模擬部分器件和線路相對集中、獨立，并遠離數字部分。

三、 STS 2108B 集成穩(wěn)壓器測試系統(tǒng)

STS 2108B 集成穩(wěn)壓器測試系統(tǒng)是北京華峰測控技術公司自行研制、開發(fā)的模擬電路測試系統(tǒng)，是 STS 2108A 系統(tǒng)的升級版本，公司擁有該產品的自主知識產權。

STS 2108B 適用于固定正輸出、固定負輸出、可調正輸出和可調負輸出穩(wěn)壓器的參數測試。系統(tǒng)測試原理符合國標 GB 4377-84。

系統(tǒng)具有 50V 程控輸入電壓范圍和 5A 程控輸出負載電流的能力，可以完成輸出電壓 VO、基準電壓 VREF、啟動電壓 VST、電壓調整率 SV、電流調整率 SI、備用耗散電流 IDS、備用耗散電流變化量ΔIDS(V)、ΔIDS(I)、輸出短路電流 IOS、紋波抑制比 Srip、功率調整率 SP 等參數的測試。

系統(tǒng)在脈沖法測試方面符合國軍標詳細規(guī)范 GJB 597/4A-96 規(guī)定的測試要求，可有效避免被測器件的熱效應對測試的干擾，同時也可避免測試過程中被測器件的溫升。

系統(tǒng)選用美國 3M 公司開爾文電橋四端測試插座，并全線采用開爾文四端法進行參數測試。

由于系統(tǒng)具有良好的測試精度和穩(wěn)定性，被北京半導體器件五廠、七七一所、四四三三廠等單位做為國軍標集成穩(wěn)壓器生產線指定使用設備，同時也被廣大整機研究所、生產廠和測試中心選用。