下面介绍关于如何使用直流电子负载进行测试的四个技巧，并对直流电子负载的灵活性和实用性加以说明。
技巧 1. 使用恒流模式进行电池测试
技巧 2. 测试电源瞬态响应
技巧 3. 测试电源的限流能力
技巧 4. 测试 DC-DC 转换器
电子负载最初是专为测试电源而设计的专用产品。直流电子负载用于表征电源在不同负载条件下的响应。直流电子负载使用 FET 开关管和无功功率电子器件，可最大限度地减少振铃并控制不理想的特性。现在，它们一般被视为通用仪器，能够测试大多数直流电源，包括 DC-DC 转换器、LED 驱动器、电池，太阳能电池、发电机和燃料电池。
直流电子负载
技巧 1. 使用恒流模式进行电池测试
电流优先模式是电子负载最常见的设置。一个简单的例子就是以恒流方式消耗电池电量，以确定其存储的总能量。随着电池中的电流被消耗，电池的电压下降。了解电压和剩余电量之间的关系可以让器件预估自己剩余的运行时间。随着电池的电流被消耗，电池中的化学结构呈现出独特的电压曲线。
当电池到达其电压阈值下限时，电池一定要停止使用，否则会因为电压超过阈值下限而损坏电池。
表 1. 25 °C 时 18650A 锂离子电池的技术指标表
为了说明使用恒流模式进行的电池测试，我们将使用一块 18650 工业锂离子电池。电池容量（C）的测量单位为毫安（mAh）。确定充电和放电电流也需要用到容量。充电电流限制为 0.5 C 或 0.5 * 2500 mAh = 1250 mA。以 1250 mA 的恒流（CC）开始充电，需要在电池电压达到 4.2 V 之前停止。
放电过程与此相似，以恒流进行放电，直到达到 2.5 V 的截止电压。消耗的电流量可在0 到 20 A 之间波动，但大电流会使得充电和放电的次数减少，从而影响电池的使用寿命。将电池放电至截止电压以下也会缩短电池的使用寿命。运行时间通过放电图确定，见图 2。
电池可以支持 1 C 放电一小时，或者以 (1 C)/(5 h) = 0.2 C 速率放电五小时。锂离子电池在 0.2 C 放电速率下通常具有稍高的容量。最后，温度会影响电池容量和放电电压。25 °C 以上的温度是理想温度，低于这个温度，电池的容量和电压均会下降。您可以使用万用表监测电压，确保电池在 2.5 V 截止电压下不会继续放电。
图 1. 使用电子负载给电池放电的系统
许多电池测试都会用到电子负载，例如容量保持测试、内部阻抗测量、生命周期性能测试、温度测试和滥用测试。
容量测试是最常见的电池测试，因为它直接关系到器件的运行时间。容量测试会使用不同的恒定放电率，有时甚至使用动态电流来仿真以不同速率消耗电流的设备。许多设备通过在空闲或睡眠状态下消耗非常小的功率，而只在活动状态下消耗大电流的方式来省电。
容量测试是最常见的电池测试，因为它直接关系到器件的运行时间。容量测试会使用不同的恒定放电率，有时甚至使用动态电流来仿真以不同速率消耗电流的设备。许多设备通过在空闲或睡眠状态下消耗非常小的功率，而只在活动状态下消耗大电流的方式来省电。
为了确定器件的运行时间，我们需要了解电池在不同的放电速率下会做出怎样的响应。图 2 所示为几种恒定的放电速率：1.5 C，1 C，2 C。
图 2. 以几种速率放电的 18650
如果充电电压高于 4.0 V，锂离子电池会承受巨大的内部压力。图 2 所示为电池恢复到衰减状态时电压迅速下降。在电压下降到 3.2 至 3.1 V 之前，电压还是呈线性下降。一旦低于这个电压，电池电压下降得非常迅速。电池容量以电流放电进行计算，500 mA 乘以运行时间 4.5 小时，即为 2250 mAh。测得的电池容量一般比规定的容量小，因为它们是在 4.1 至 2.6 V 的较小工作范围内测量的。
表 2. 在通道 1 上配置负载模块以恒流放电
技巧 2. 测试电源瞬态响应
大多数电源设计为通过电压调节电路提供恒定电压。如果负载突然消耗大量电流，那么调节电路无法输出稳定电压。而极端情况是输出最大电压和需要满电流的瞬态。
例如，是德科技的瞬态响应测试就是在电源的最大输出电压下进行的。输出电流从最大值的 50% 开始，先上升到最大值，然后返回到 50%。参见图 3，电流的急剧变化产生了两个电压瞬态。
图 3. 从电源吸收的最大电流突然发生变化，导致电压瞬态
瞬态响应时间是指电源从负载的显著变化中恢复原状所需的时间。一旦电源输出电压回到稳定的限制范围，我们就认为它已经恢复，见图 4。
例如，Keysight E36312A三路输出电源规定在 15 mV 的稳定范围内恢复的时间低于 50 μs。这发生在负载从 50% 上升到 100%，然后从满负载的 100% 再下降到 50% 之后。
图 4. 瞬态响应时间显示为电源在稳定频段内恢复原状所需的时间
使用负载电阻和开关测量响应时间有一定的挑战。通常，功率电阻器有一定的电感，会与影响电源的瞬态响应。使用直流电子负载可以避免引入额外的失真。
设置电子负载的两种最常用方式是电阻模式或恒流模式。在电阻模式下，通过计算选择消耗 50% 电流的电阻，再计算消耗最大电流的电阻值。电流优先模式非常直观，因为所需的电流直接输入到负载。
例如，我们设置了 6 V 和 5 A 的 E36312A 电源进行测试。所需的两个电流为 2.5 A（50%）和 5 A（最大值）。N6792A 直流电子负载模块针对电流优先进行了配置，如表 2 所示。
在针对电流优先配置了负载之后，下一步是创建瞬态。Keysight N6700 系列具有多个内置波形，只需描述几个点即可方便地设置好动态输出。
当电流幅度改变时，阶梯式波形会产生一次瞬态。当电流上升然后下降时，脉冲波形会产生两次瞬态。为该测试设置的脉冲波形；见图 5。
图 5. 选择脉冲波形以产生动态电流
表 3 所示为 SCPI 编程命令以及 Keysight N6705C 直流电源分析仪前面板指令。定义了波形后，您可以随时使用 arb run 命令或 N6705C 直流电源分析仪 前面板上的 run/stop 按键来启动它。
将示波器设置为使用单次采集的电平触发，可以轻松查看并捕获波形。运行 arb run后，捕获的瞬态如图 6 所示。示波器输入采用交流耦合，带宽限制为 50 mV/格。扫描设置为 20 μs/格，并有一些时延，以便使波形居中显示。
在瞬态进入 15 mV 设置范围内的位置放置一个游标，以便查看波形穿过的时间。在两次瞬态中，电源的恢复速度比规定的技术指标 50 μs 要快得多。
表 3. 在通道 1 配置负载模块吸收动态电流，前七个步骤与技巧 1 中的步骤相同
图 6. 单次捕获第一个瞬态
技巧 3. 测试电源的限流能力
所有电源都包括一个限流电路，目的是保护自身以及它所上电的器件。使用代工厂（OEM）的电源时，务必要掌握电源的限流方式，从而判断其运行状况。
您可以通过进行限流测量，确定恒压电源在多大程度上将其最大输出电流限制在预设值上。预设值可以是固定的，也可以在规定范围内变化。
限流设计有三种实现方式：
1. 传统的限流电源
2. 能够从恒压（CV）转换为恒流（CC）的电源
3. 折返限流电源
传统的限流电源和 CV/CC 模式电源在功能上非常相似。这些实现方式只是在恒流工作区域内的调节程度上有所区别（见图 7）。您可以调节 CV/CC 电源的 CC 工作点。
相对圆滑的交叉拐点和倾斜的限流特征表明电流调节不够精确； 而尖锐的拐点和垂直的限流特征则表示电流调节能力更好。折返式限流电源采用的技术可使输出电压和电流同时下降，让负载电阻低于交叉值。
图 7. 三种限流设计的电压与电流关系
测试电源限流能力的步骤
将电源连接到万用表和电子负载，如图 8 所示。N6791A和 N6792A 电子负载均内置精密测量系统，无需使用外部万用表。
图 8. 将测试电源连接到万用表和直流负载
将电源设置为其最高电压，并将负载设置为高电阻，开始进行测试。高电阻消耗最小的电流，电源处于正常的恒压模式。
在测试期间，记录电源的输出电压和电流。程序开始逐步递减电子负载的电阻。当电流由于负载电阻减小而增加时，输出电压保持不变。一旦输出电流达到电流限值，电压会下降。
图 9 显示了这个电压下降，它被称为交叉区域。电源不再保持恒定电压。当电阻持续下降时，电源以限流模式工作。具有 CV/CC 功能的优质电源会迅速转换为恒流模式。当电阻继续上升时，电流保持不变。
图 9. 图中显示了电阻上升对电源的影响
表 4. 通过配置通道 1 上的负载模块降低电阻
结果
测试电源的电流限值设置为 2 A。电子负载的电阻为 3 Ω，电压和电流均可测量。将电阻降低 0.1 Ω，并且在下一组测量之前让电源稳定下来。
持续这一过程直到电阻下降到 0.1 Ω。电压—电流测量结果请参见图 10。测试电源会迅速地从恒压模式转变为恒流模式。这种突然转变的能力是高品质电源的标志。
图 10. 图中描绘了在 2 A 电流限值下电压与电流的关系
技巧 4. 测试 DC-DC 转换器
DC-DC 转换器在现代电子产品中十分常见，主要有三种用途：
1. 建立电气隔离
2. 转换电压电平，以产生更高或更低的输出电压
3. 允许更宽范围的输入电压
车载电子器件使用 12 VDC 的标称电压，其设计允许使用从 9 VDC（来自电池）到最高14 VDC（来自运行中的发动机）的电压。DC-DC 转换器的作用就是接受 9 至 14 VDC 的输入电压，然后输出一致的 12 VDC 电压。
它们还可以用于集成了计算机和电子设备的应急车辆。19 V 直流电可以为多种类型的笔记本电脑、监视器和路由器供电。DC-DC 转换器可以将标准的 12 VDC 电压转换为 19 VDC 电压。有了 19 VDC 电压，就无需再通过逆变器生成 220 VAC 家用电，也无需为每个设备配备交流到直流的电源适配器。DC-DC 转换器的效率非常高，通常超过96%。
在负载稳定时，DC-DC 转换器的输入功耗是恒定的。为了保持这种恒定功耗，转换器会在电压增加时减少电流。图 11 显示了恒定功率的曲线图。在较大的电压范围内，很容易看出电压和电流之间的关系是一条曲线。
图 11. 在较大电压和电流范围内的恒定功率曲线
图 12. 单独的电流限制只能保护单个电压下的 DC-DC 转换器（绿线）
DC-DC 转换器具有与图 11 所示曲线相比更为有限的电压—电流范围。19 V/6 A 转换器的技术资料中列出输入电压范围为 9 V 至 18 V。要测试转换器的整个输入范围，需要使用能够产生 9 V/13 A 和 18 V/6.5 A 的直流电源。
保护转换器
为了防止转换器过压和过流，您需要规定多个限值。图 12 显示了单个电流限值 13 A。这个 13 A 的电流限值只会在 9 V 工作电压下保护转换器。如果电压超过这个值，转换器在达到电流限值跳闸之前会接收过多的功率。恒定功率（CP）保护适用于单独的电流限值无法工作的场景。图 13 显示了恒定功率限制。先进的电源和电子负载都内置有恒定功率保护。
图 13. 功率限值（绿色）略高于工作功率（红色）
标准电流保护的另一个问题是，采用电流限值时，电源会转换为恒流模式。在恒流模式下，允许电源的输出电压下降，并且可能降到转换器的工作电压之下。低电压导致转换器进入非稳压状态，需要重置转换器。
过流保护（OCP）可以防止电源输出低电压。OCP 不会让电源转换为恒流模式，而是关闭电源输出。
当转换器以预期的 19 V 工作时，负载还可以通过消耗电流为转换器提供保护。欠压抑制功能可以关闭负载，直到电压超过 19 V 限值。一旦转换器开始提供正确的电压，负载会再次消耗电流。
测试功率转换器
KeysightN6700C 模块化主机非常适合执行这项测试，因为电源模块和直流电子负载模块都可以添加到主机中。电源模块可针对不同的电压进行编程，以便仿真汽车中使用的电压，而负载可配置为恒定功耗。负载设置为 85 W，代表计算机和多个外围设备产生的功耗。
在每个电压下都会进行效率计算。转换器的效率等于输出功率与输入功率的比值。供电并测量输入功率，而负载测量输出功率。将电源和负载整合到同一台仪器中，可以轻松同步测量并进行效率测量。
表 5. 配置通道 3 上的电源模块来驱动逆变器
表 6. 配置通道 1 上的负载模块为恒定的 85 W 功耗
结果
将 18 V 电压及 85 W 负载应用到转换器，开始测试。电压和电流测量值在转换器的输入和输出处计算。使用电压和电流测量值计算效率。接下来，将转换器输入电压降低 500 mV，等待三秒钟让转换器稳定下来。稳定之后，测量并记录电压和电流值。
程序会继续降低电压并进行同样的测量，直到输入电压达到 9 V 下限。图 14 显示了输入电压和电流。计算出的效率在 97% 至 98% 之间。
欠压抑制模式对于测试非常有帮助。如果使用 9 V 以下的电压为转换器供电，它会进入非稳压状态，而且不会产生 19 V 电压。欠压抑制取消了负载，让转换器在施加了有效电压后可以迅速恢复。
图 14. 85 W 逆变器的输入电压和电流图
进一步了解电子负载
由于越来越多的电子器件需要转换或存储电能，因此直流电子负载在测试系统中也日益常见。是德科技新推出的 N6790 系列直流电子负载便安装在 N6700C 模块化电源内。现在，工作台上或者系统中的单个仪器既能供电又能吸收功耗。N6790 系列负载提供恒压、恒流、恒阻和恒功率模式。它还内置了高性能测量系统，因此无需使用外部万用表。
来源：是德科技
/3 
