标签: 电压瞬变仿真

在上一篇文章中，《 实现 16750-2 的简单实现方法 - 程控电源技术和应用（ 67 ）》， 我们谈到了 N7900A 先进电源系统 （ APS ）。 这 是安捷伦迄今为止推出的功能最为强大、最为先的测试测量类电源产品。它在 N6700 系列模块化直流电源系统和 N6705B 直流电源分析仪的基础上进行设计，因此继承了它们的特性，包括： 高精度编程和测量 、 无缝量程切换功能，用于高动态范围变化电流的精密测量、 电压电流和功率的高速数字化测量、 电压、电流和功率的长期数据记录、 输出任意波形（ ARB ）和列表功能。 N7900A APS 还新增了许多创新和独特的特性 ， 包括 ：更高的 输出功率； 可配置逻辑表达式信号路由 ， 支持高级定制触发和控制； 可选配外部功耗单元 ， 实现完整的双象限工作； 可选配黑匣子记录器 ， 使用户可在测试后根据需要进行故障诊断等。 总之，我们设计 APS 系列电源的目的，就是帮助工程师们从容应对测试测量过程中，与电源相关的最具挑战的测试难题。了解更多 APS 的详情，可以访问： www.keysight.com/find/aps , 更有效地是在优酷网上观看相关视频： http://v.youku.com/v_show/id_XNjEzOTQxMTAw.html?f=20013609 要使用这些先进功能只需进行少量编程 ，这适合于 自动测试环境中的应用。但由于 APS 的强大功能，同样可以帮助研发工程师解决诸多的测试难题。因此，在设计验证和研发工作台上，这种测试方法则会有诸多的不方便。 在我们经典的 N6705B 直流电源分析仪上，由于拥有功能完整的前面板菜单和图形显示， 使设计验证和研发工程师可以快速对其器件进行配置，并执行复杂的电源相关测试工作。相比之下， N6700 系列模块化电源系统（图 2 ）的前面板功能较少，它与 N6705B 的功能基本相同，但是为自动测试系统而设计 ，需要进行编程才能充分发挥其先进功能。 N6705B 与 N6700 系列使用完全相同的直流电源模块。 图 1 ： N6705B 直流电源分析仪 ， 主要用于工作台环境 图 2 ： N6700 系列模块化直流电源系统 ， 主要用于自动测试系统环境 N 7900A APS 的外形和功能与 N6700 系列相似 ，对研发工作台的应用，也面临着同样的问题。相比于 N6705B ， APS 前面板高级功能较少。 为了解决这个问题，我们对原来用在 N6705B 的 14585A 控制和分析软件进行升级，使其适用于 APS 系列电源。这样，虽然我们没有开放 N7900 APS 的工作台应用版本，但依靠这个软件与 N7900 APS 配合使用，使研发工程师能非常容易地通过电脑操控 APS ， 获得全部的测试功能和测试结果。这样， 14585A 很快就能帮助您使用 N7900 APS ， 快速和轻松地创建和配置复杂的电源相关测试。您可以在网上下载着套软件，获得 30 天的免费试用。 以下的几个实例，就是我们利用软件，在短短几分钟内完成许多设置和控制工作，例如捕获汽车前灯的冲击浪涌电流（图 3 ）、在直流偏置输出上叠加交流正弦波干扰（图 4 ）等等。 图 3 ： 使用 14585A 软件和 N7951A APS 捕获汽车前灯冲击浪涌电流 图 4 ： 使用 14585A 软件和 N7951A APS 在直流波形偏置上生成正弦波电压干扰

如果您从事汽车电子产品的开发和测试，有两个汽车行业的测试标准您肯定不会陌生，那就是 ISO16750-2 和 ISO7637 。 ISO 16750-2 标准应用于汽车电气与电子的多种设备实现干扰，并进行测试。在这篇文章中，我将介绍如果实现最为便利的 ISO16750-2 方法。        在汽车电器或电子产品完成研发后，在交付生产之前要经过严格的测试，其中的一些产品就用必须通过 ISO16750-2 全兼容的测试。这就需要厂家将产品的样本交付给全兼容的测式机构，通过他们的测试合格后，才能获得市场上销售的通行证。但这一过程通常是费时、费力的。如果未能通过兼容性的测试，就需要研发工程来对产品进行改进。 但问题是，在产品改进后，产品是否能通过测试，作为产品的开发者可能也心里没谱。一个非常有效的方法， 就是在实验室中构建一个实验条件，来完成 ISO16750-2 标准的预兼容测试。并且，可以对产品设计过程中的每一个改进方案，都可以立即通过测试，获得改进后的结果。这样，不仅可以省去大量的费用和时间，也可以大幅度提升产品设计的可靠性。 如果需要在实验室中构建这样一个测试环境，价格不菲。而且这个实验环境通常只是提供标准的模板，而且无法模拟研发过程中需要模拟不同电压瞬变现象，因此，它不适合研发环境。在之前的文章中（ 神奇的电源快速编程能力应用 ） ，我们谈到了利用 N6705B 直流电源分析仪的快速上 / 下编程和大功率任意波形能力，来产生电压的瞬变波形。而最新的 N7900 系列 APS 电源，不仅速度更快、功率更大，而且还有许多强大的功能。 无论是在 N7605B 直流电源分析仪还是 APS 系列先进电源系统， 都具有非常出色的大功率任意波形输出能力， 而任意波形的编辑工具就是 14585A 控制和分析软件。 这套软件过去只支持 N6705B 。 通过前一段时间的升级，现在已经可以支持 APS 电源了， 从而使工程师无需编程即可快速执行复杂的上电相关测试。 N7900A APS 能够提供更大的功率输出和更快的输出瞬变速率，生产的电压或电流的任意波形为 64,000 点，适用范围非常广阔，它不仅可以输出一些 ISO16750-2 和 ISO7637 的电压瞬变波形， 还可以输出实际测试过程中需要的任意波形。 14585A 具有 非常完整的任意波形（ ARB ） 波形库，使您可以导入和编辑任意波形文件。您也可以使用示波器捕获实际的起动波形曲线，创建任意波波形的数学表达式。最重要的是，您可以将独立的任意波形进行组合和排序，构成更大、更复杂的大功率任意波形序列。这对于创建各种汽车电气设备干扰特别重要。 现在，我们来看看如何利用 14585A 软件来生成 ISO16750-2 的电压瞬变波形。 我按照从简单的开始，再到更为复杂的测试波形。第一个测试波形是 ISO16750-2 中的 “4.5.1 电源电压瞬态压降 ” 波形模板 。它仿真的是电气负载突然短路，而后保险丝熔断产生了 0.1 秒压降。在本测试中，我使用了 14565A 软件中 预定义的脉冲任意波形。 如图 1   14545A 配置屏幕显示的设置。   图 1 ： 在 14585A 软件中设置 ISO 16750-2 4.5.1 波形模板 电源电压瞬态压降       ISO 16750-2 4.5.1 标准要求上升时间和下降时间小于 10 毫秒。 N7951A 20 V APS 可提供大约 0.4 毫秒的下降时间和上升时间 ，如果需要， 我还可以调整电压瞬变的上升时间和下降时间 ， 或是使用斜波模板的任意波形，并输入斜波上升和下降时间进行设置。瞬态压降结果在 14585A 示波器工作模式中显示出来。如图 2 。 图 2 ： 使用 14585A 软件捕获 ISO 16750-2 4.5.1 电源电压瞬态压降 （未完待续）

（接上篇） 接下来 ， 我来用查看 14585A 软件编辑 ISO16750 种 “4.5.2 压降重置特性曲线 ” 波形模板，俗称 5% 电压逐级下降模板。 测试信号由一组周期为 5 秒、间隔 10 秒的压降组成，压降的幅度每次递增 5% 。此试验的目的是测试哪个压降电平会导致被测件发生低电压重置。为此我在 14585A 软件中将 20 个压降 ARB 波形连成更长的序列。由于持续时间更长，我采用了 14585A 的数据记录测量模式来捕获此波形序列的运行结果，见图 3 。   图 3 ： 使用 14585A 软件捕获 ISO 16750-2 4.5.2 压降重置特性曲线     好了 ， 我想现在可以迎接更艰巨的挑战了 ， ISO 16750-2 “4.5.3 起动电压曲线试验 ” 波形模板，这个波形 看起来更为复杂。 这个引擎启动电压波形由一组电压斜波和一个正弦波组成 ， 电压斜波位于开始和末尾两端 ，斜波步进的时间为 几毫秒到几十毫秒 ， 正弦波嵌入在中间， 并叠加在直流偏置之上 ，长度为几秒钟， 以仿真实际的引擎稳态起动过程。这个起动电压曲线测试有多个版本，我选择了一个起动周期延长的版本，因为我觉得它对于精确重现快速波形的细节更具挑战性。我在 14585A ARB 模式中， 生成屏幕上结合使用两个斜波、一个正弦波和其他斜波实现了这个波形。   图 4 ： 在 14585A 软件中设置 ISO 16750-2 4.5.3 引擎 启动电压曲线试验   我在 14585A 的示波器测量模式中捕获到 ISO 16750-2 “4.5.3 起动电压曲线试验 ” 的测试结果 （ 图 5 ） 。     图 5 ： 在 14585A 软件中捕获 ISO 16750-2 4.5.3 启动电压曲线试验的结果   从图 5 中可以看出 ，启动电压曲线 总体上表现正常。叠加在直流上的起动正弦波符合预期。我将时间标度扩大，以查看开始和末尾两端的快速步变斜波是否像预想的那样，就是图 6 中曲线试验结果的起始瞬态部分。 图 6 ： 在 14585A 软件中捕获 ISO 16750-2 4.5.3 起动电压曲线试验 （ Starting Profile ） 结果 ， 起始部分的细节   我非常高兴地看到 ， 这些几毫秒长的事件计时完全准确 ， 即使它们在总长 1 秒的 ARB 序列中只占一小部分。由于任意波形序列是使用高级模型构建的，所以无论是修改现有序列，还是快速构建全新的或非标准的干扰信号都非常简单。我再也不必费时费力地进行手动编程来创建这些复杂的任意波形汽车电气设备干扰信号。虽然我乐于接受挑战，但是 14585A 软件使此项任务变得如此简单快捷，能够让自己轻松一点又何乐而不为呢！   一些列表是可以利用 APS 电源产生的 ISO16750-2 中的波形。绿色表面没有问题，黄色表明略有问题，需要辅助的手段完成测试。 了解更多 APS 电源信息，请访问 www.keysight.com/find/aps 观看 APS 视频资料，请访问： http://v.youku.com/v_show/id_XNjEzOTQxMTAw.html?f=20013609

     在上一篇文章中，我们谈到了电源的快速编程能力。在这篇文章中，我会有两个应用实例，来介绍电源快速编程能力的神奇应用   应用一：仿真汽车电源总线的电压瞬态变化          汽车电子产品研发的工程师们肯定知道，由于汽车供电系统输出复杂，大电流马达，电磁阀等各种元件导致供电电压输出经常发生波动，大电压脉冲或跌落现象频繁发生，这将对车内电子产品能否稳定工作造成挑战。尤其是与安全相关的电子产品，如安全气囊控制电路， ABS 控制电路等，非正常电压波动将造成这些设备的 CPU 或其它芯片进入重启，锁死或者未知状态，直接影响到车内人员的安全。因此，需要研发人员在实验室里仿真出实际供电系统中出现的电压瞬变现象，以便尽早发现车载电子产品在可靠性方面存在的隐患。 ISO 组织就有 ISO-16750 等文挡， 提供了一系列电压瞬变波形测试模版，用以规范相关的测试。工程师可以在实验室里，按照模版所定义的电压波形对待测件进行测试，以判断自己的产品能否达设计要求。如图 1 就是一个典型的电压瞬间中断的模板。   图 1 ：电源瞬间中断的模板        这种波形看似简单，但要模拟出来并不容易。首先它需要有足够的功率，普通的信号源是无能为力的。其次时间很短，要求电源具备快速响应能力的同时，还需要足够稳定，不能有过高的过冲和振荡。再次，其电压并非是降到 0V ， 无法利用简单地利用开关控制。 因此，这种仿真或者用专用的设备完成，或者利用具备快速编程能力的电源来模拟。 在这个例子中，我们用到了安捷伦 N6705B 直流电源分析仪配合高性能模块。如图 2 所示。       N6705 中的高性能模块包括 N6752, N6755 等，最大输出功率可达的 500W 。电压变化 0-50V ， 或 50V-0V 所需的时间仅为 1.5mS. 因此，它可以满足众多电压瞬态特性的仿真。     应用二：大幅提升自动测试系统的吞吐率    在众多的自动测试过程中，首先要给被测件提供一个准确的电压。 电源准确建立这个电压所需的时间，根据性能不同会有非常大的差别。性能好的，不超过 5ms ，而一般的电源，可能需要几十甚至上百毫秒。事实上，在许多的测试中，例如汽车电子这样工作电压非常宽泛的产品，在测试过程中往往需要准确设定 10-30 次的电压值，以测量 在额定工作范围内的指标性能。 诸如在汽车的ECU测试中，需要改变20次以上的偏置电压，可能需要额外增加几秒的时间，在测试时间中占到很大的比重。 如果在自动测试系统中的程控电源具有快速指令处理和编程能力， 就能很大程度上提升测试系统吞吐量。如图 1 。如果 利用快速响应电源，每一步电压的变化和稳定时间可以从100ms 减少到5ms, 20次电压改变节省的时间将近2s. 每个产品测试的时间就降低了2s。       这是一个真实的案例，有个著名的汽车ECU生产的用户采用安捷伦的测试系统，测试时间是15秒/个。一套系统的代价是15W美元。用户告诉我们，如果每个测试时间减少1面，他愿意多付出1万美元。“ 时间就是金钱” 在这里是最有代表性的。当我们有更快速的 N6700 模块电源改进了他的系统后， 每个测试时间竟然减少了 2.5 秒！代价是 $2.5K, 仅为用户预算的 10%   在以下 2 个优酷中的视频，你可以看到具体的演示   1． N6705 仿真电压瞬态特性：   http://v.youku.com/v_show/id_XMzU4OTAxMTc2.html?f=18816127         2． 利用快速改变电压，提高系统的吞吐率