原创 RIGOL开关电源测试实例

 2008-7-5 01:12  2723 6 6 分类: 测试测量

RIGOL开关电源测试实例

转自天鑫示波器网

近几年，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，程控交换机、通讯、电子设备、控制设备等都已广泛地使用了开关电源，大大促进了开关电源技术的迅速发展。在开关电源向高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化方向发展的同时，也对产品设计验证和功能测试提出了更为严格的要求。本文中将以国内最大的测试测量厂商RIGOL（北京普源精电科技有限公司）的产品为例介绍一些开关电源的常用测试方案。
本测试方案中用到的仪器分别是RIGOL DS1302CA数字示波器、DM3064数字万用表及DG系列函数/任意波形信号发生器。

    图1 RIGOL DS1302CA数字示波器（左）与DM3064数字万用表（右）
    数字示波器应用方案
    1、瞬态响应信号测量：
    负载瞬变时间是一项动态时间，它是负载电流瞬变后开关电源的输出电压稳定到预先规定稳定带内的时间。测量信号的过程中，示波器必须有足够的采样率和波形捕获率才能有效的捕获到需要的波形。我们通常所测的响应为μs或ms量级，而RIGOL的DS1302CA可以测量最小1.2ns的上升时间，完全可以捕获该瞬变信号。图2反映了电流由0.1mA到65mA的过程中电压瞬态变化情况。

    图2 DS1302CA测负载瞬态响应曲线响应
    2、及时发现有害波形信号
    电源的开启延迟是从施加交流输入至输出达到其调整范围之内的时间。如果开关电源在开启时，有有害波形产生，即有可能损坏开关晶体管的电流尖峰。对于该有害波形，可以通过抑制电路等方法来消除。而通过用示波器的测量，我们就可以及时发现有害波形，并在电源开启的瞬间，有效地抑制有害信号的产生，间接提高后需电源的工作效率。图3是DS1302CA捕获的波形。

    图3 开启延迟产生的有害信号
    3、在系统中重现信号
    如果捕捉到偶发、瞬时信号后不仅仅满足于对该信号的简单分析与计算，还希望能够在系统中重现该信号，那么RIGOL数字示波器与函数/任意波形信号发生器的无缝互连则可以提供完美的解决方案。DG3121A信号发生器可以通过专用接口直接访问DS1302CA的波形内存，从而在信号发生器上再现之前捕获的毛刺或偶发信号波形。通过这样的方法，可以再现信号，让测试测量更加方便。

    图4 RIGOL示波器和信号发生器的无缝互连
    4、同时测量输入输出信号
    在开关电源测试中经常同时测量电路的输入和输出端，但输入和输出电压的差距较大给操作带来了一定难度。DS1302A的交替触发能够同时测量分析输入和输出两个信号，解决了操作上的难题。以往在中端示波器中，双通道同时显示时都是时基共用，而现在的产品就可用交替触发来实现两个通道各自有自己的时基，并且在各通道上可以选取不同的触发方式。如图5示，两个不同的信号，一个是Vpp=188V的信号，另一个是Vpp=102mV的信号，它们的频率分别为50Hz和20kHz。

    图5 双通道交替触发的信号
    5、捕获纹波和分析噪声
    纹波和噪声是在所有其他参数恒定的条件下，在规定带宽内直流输出电压对其平均值的周期性和随机性偏离，它代表调整和滤波电路后面直流输出电压中所残存不需要的交流和噪声成分。纹波和噪声可以用有效值或峰峰值度量，峰峰值可以提供有关高幅度、短持续时间尖峰的信息，而有效值则有利于确定预期的信噪比。具体的讲，纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的2%以下。下面是DS1302CA观察的纹波信号波形：

    图6 DS1302CA观察到的纹波信号
    数字万用表应用方案
    1、开关电源漂移测量
    漂移主要指电源输出电流或电压的周期和随机偏离。开关电源的漂移测量需要很长时间，并对测量精度要求较高。实际测量中我们一般会把所有测量出来的数据做一个统计，然后在这个统计值的基础上计算出它的PPM值，总时间在24小时左右。这个测试过程不但枯燥而且很容易出错，为了能让工程师的测量变得更加方便，并且让测量误差降到最小，RIGOL提供了DM3064万用表加PC控制的解决方案。

    图7 Ulralogger软件采集到的波形图
    通常实验时，我们不但要满足测试精度和测试速度的高要求，还要保障一定量的测试时间。这样一来，如果长期值守，就难免会出现测量失误。为解决这个问题，我们可以通过计算机软件控制测量，让万用表采集每隔一段时间的电压、电流，而对于时间段的大小，工程师也可以任意设定，真正实现通过万用表轻松采集数据。DM3064可以实现一路最多采集200万个数据，如果要存储更多的数据也可以选择直接存储到U盘或者存储到电脑中。
    使用DM3064的方便之处在于数据采集后其自带软件可以直接完成数据保存，把数据保存为txt或mdb数据库文件，以便于借助数学分析工具在电脑上直接对这些数据进行分析。
    2、多路巡检测量
    如果我们已经不满足于单路测量，希望实现多路同时测量，则可以选择DM3064的数据巡检功能多路巡检测量，最多能够实现一次同时测量16路信号。同时测量每个输出模块的电流电压后，可通过计算机软件统计出需要的数据，然后再对统计到的每路数据进行分析。
    如果我们想看数据在巡检时候的波形，也可以打开波形显示，观察数据巡检时候的数据变化曲线。在波形图中，我们可以通过Ultralogger软件在PC上很直观地看到电压电流变化曲线。
    RIGOL万用表针对数据的巡检和采集功能可以快速实现电流电压的巡检和数据采集。并且Ultralogger软件能通过GPIB和USB总线实现现场控制，也可以通过LAN实现远程控制，并且能把每个工作站的数据报告定期返回给远程的服务器。

    图8 设计架构：工业计算机、DM3064万用表、数据巡检模块、被测量端
    3、温度测量
    温度测量是电源产品测试过程中最重要的环节之一，现在的电源产品都要满足FEC、VDE、UL、CSA、FCC等温度测量标准，所以温度对于电源也是重要的测量参数之一。
    随着电源技术的进步，产品对温度的要求越来越高。在测量过程中，可以用DM3064万用表加上温度传感器把采集到的物理信号转化为电信号，然后转化为相应的温度值。
    同理，如果需要别的方面的应用，也可以使用相应的传感器进行测量，选择采集功能实现快速传感的测量功能。

    图9 温度测量架构图
    其他应用测量
    在开关电源行业中，需要模拟开关管开关的频率和同步频率来进行测量，在这类产品测试中，我们可以增加信号源来模拟开关电源在不同状态下的工作频率。也可以使用信号发生器发出的信号来模拟原控制信号。在此，我们除了可以选择上面提到的DG3121A，还可以选择DG2000系列和DG1000系列的信号源。另外，我们可以把上面的仪器都集成到测试系统中去，把信号源、万用表、示波器、功率计等绑定在一起，通过软件的控制可以来实现不同性能及其输入输出特性的测试，帮你实现生产线的自动化测试，如图10。