RIGOL開關(guān)電源測(cè)試
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(jī)、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(jìn)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(shí)，也對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證和功能測(cè)試提出了更為嚴(yán)格的要求。本文中將以國(guó)內(nèi)最大的測(cè)試測(cè)量廠商RIGOL（北京普源精儀科技有限責(zé)任公司）的產(chǎn)品為例介紹一些開關(guān)電源的常用測(cè)試方案。
本測(cè)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(wàn)用表及DG系列函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器。
數(shù)字示波器應(yīng)用方案
1、瞬態(tài)響應(yīng)信號(hào)測(cè)量：
負(fù)載瞬變時(shí)間是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)時(shí)間，它是負(fù)載電流瞬變后開關(guān)電源的輸出電壓穩(wěn)定到預(yù)先規(guī)定穩(wěn)定帶內(nèi)的時(shí)間。測(cè)量信號(hào)的過(guò)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(cè)的響應(yīng)為μs或ms量級(jí)，而RIGOL的DS1302CA可以測(cè)量最小1.2ns的上升時(shí)間，完全可以捕獲該瞬變信號(hào)。圖2反映了電流由0.1mA到65mA的過(guò)程中電壓瞬態(tài)變化情況。
2、及時(shí)發(fā)現(xiàn)有害波形信號(hào)
電源的開啟延遲是從施加交流輸入至輸出達(dá)到其調(diào)整范圍之內(nèi)的時(shí)間。如果開關(guān)電源在開啟時(shí)，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(duì)于該有害波形，可以通過(guò)抑制電路等方法來(lái)消除。而通過(guò)用示波器的測(cè)量，我們就可以及時(shí)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(hào)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(hào)
如果捕捉到偶發(fā)、瞬時(shí)信號(hào)后不僅僅滿足于對(duì)該信號(hào)的簡(jiǎn)單分析與計(jì)算，還希望能夠在系統(tǒng)中重現(xiàn)該信號(hào)，那么RIGOL數(shù)字示波器與函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器的無(wú)縫互連則可以提供完美的解決方案。DG3121A信號(hào)發(fā)生器可以通過(guò)專用接口直接訪問(wèn)DS1302CA的波形內(nèi)存，從而在信號(hào)發(fā)生器上再現(xiàn)之前捕獲的毛刺或偶發(fā)信號(hào)波形。通過(guò)這樣的方法，可以再現(xiàn)信號(hào)，讓測(cè)試測(cè)量更加方便。
4、同時(shí)測(cè)量輸入輸出信號(hào)
在開關(guān)電源測(cè)試中經(jīng)常同時(shí)測(cè)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(lái)了一定難度。DS1302A的交替觸發(fā)能夠同時(shí)測(cè)量分析輸入和輸出兩個(gè)信號(hào)，解決了操作上的難題。以往在中端示波器中，雙通道同時(shí)顯示時(shí)都是時(shí)基共用，而現(xiàn)在的產(chǎn)品就可用交替觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道各自有自己的時(shí)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(gè)不同的信號(hào)，一個(gè)是Vpp=188V的信號(hào)，另一個(gè)是Vpp=102mV的信號(hào)，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(duì)其平均值的周期性和隨機(jī)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(shí)間尖峰的信息，而有效值則有利于確定預(yù)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(hào)波形：
數(shù)字萬(wàn)用表應(yīng)用方案
1、開關(guān)電源漂移測(cè)量
漂移主要指電源輸出電流或電壓的周期和隨機(jī)偏離。開關(guān)電源的漂移測(cè)量需要很長(zhǎng)時(shí)間，并對(duì)測(cè)量精度要求較高。實(shí)際測(cè)量中我們一般會(huì)把所有測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)做一個(gè)統(tǒng)計(jì)，然后在這個(gè)統(tǒng)計(jì)值的基礎(chǔ)上計(jì)算出它的PPM值，總時(shí)間在24小時(shí)左右。這個(gè)測(cè)試過(guò)程不但枯燥而且很容易出錯(cuò)，為了能讓工程師的測(cè)量變得更加方便，并且讓測(cè)量誤差降到最小，RIGOL提供了DM3064萬(wàn)用表加PC控制的解決方案。
通常實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們不但要滿足測(cè)試精度和測(cè)試速度的高要求，還要保障一定量的測(cè)試時(shí)間。這樣一來(lái)，如果長(zhǎng)期值守，就難免會(huì)出現(xiàn)測(cè)量失誤。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制測(cè)量，讓萬(wàn)用表采集每隔一段時(shí)間的電壓、電流，而對(duì)于時(shí)間段的大小，工程師也可以任意設(shè)定，真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)萬(wàn)用表輕松采集數(shù)據(jù)。DM3064可以實(shí)現(xiàn)一路最多采集200萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，如果要存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)也可以選擇直接存儲(chǔ)到U盤或者存儲(chǔ)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(kù)文件，以便于借助數(shù)學(xué)分析工具在電腦上直接對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2、多路巡檢測(cè)量
如果我們已經(jīng)不滿足于單路測(cè)量，希望實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)測(cè)量，則可以選擇DM3064的數(shù)據(jù)巡檢功能多路巡檢測(cè)量，最多能夠?qū)崿F(xiàn)一次同時(shí)測(cè)量16路信號(hào)。同時(shí)測(cè)量每個(gè)輸出模塊的電流電壓后，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)計(jì)出需要的數(shù)據(jù)，然后再對(duì)統(tǒng)計(jì)到的每路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
如果我們想看數(shù)據(jù)在巡檢時(shí)候的波形，也可以打開波形顯示，觀察數(shù)據(jù)巡檢時(shí)候的數(shù)據(jù)變化曲線。在波形圖中，我們可以通過(guò)Ultralogger軟件在PC上很直觀地看到電壓電流變化曲線，RIGOL萬(wàn)用表針對(duì)數(shù)據(jù)的巡檢和采集功能可以快速實(shí)現(xiàn)電流電壓的巡檢 和數(shù)據(jù)采集。并且Ultralogger軟件能通過(guò)GPIB和USB總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，也可以通過(guò)LAN實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且能把每個(gè)工作站的數(shù)據(jù)報(bào)告定期返回給遠(yuǎn)程的服務(wù)器。
3、溫度測(cè)量
溫度測(cè)量是電源產(chǎn)品測(cè)試過(guò)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，所以溫度對(duì)于電源也是重要的測(cè)量參數(shù)之一。
隨著電源技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品對(duì)溫度的要求越來(lái)越高。在測(cè)量過(guò)程中，可以用DM3064萬(wàn)用表加上溫度傳感器把采集到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。
同理，如果需要?jiǎng)e的方面的應(yīng)用，也可以使用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測(cè)量，選擇采集功能實(shí)現(xiàn)快速傳感的測(cè)量功能。
其他應(yīng)用測(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量，在這類產(chǎn)品測(cè)試中，我們可以增加信號(hào)源來(lái)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(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)來(lái)模擬原控制信號(hào)。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(hào)源。另外，我們可以把上面的儀器都集成到測(cè)試系統(tǒng)中去，把信號(hào)源、萬(wàn)用表、示波器、功率計(jì)等綁定在一起，通過(guò)軟件的控制可以來(lái)實(shí)現(xiàn)不同性能及其輸入輸出特性的測(cè)試，幫你實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化測(cè)試，如圖10。
近年來(lái)，中國(guó)電源行業(yè)發(fā)展迅猛，作為國(guó)內(nèi)最大的基礎(chǔ)測(cè)量產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商，RIGOL始終堅(jiān)持走自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)路線，不斷為用戶提供卓越的產(chǎn)品和有價(jià)值服務(wù)。RIGOL相信，只有不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和易用性，才能不斷提高測(cè)試測(cè)量效率，從而提高生產(chǎn)和研發(fā)效率。
本測(cè)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(wàn)用表及DG系列函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器。
數(shù)字示波器應(yīng)用方案
1、瞬態(tài)響應(yīng)信號(hào)測(cè)量：
負(fù)載瞬變時(shí)間是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)時(shí)間，它是負(fù)載電流瞬變后開關(guān)電源的輸出電壓穩(wěn)定到預(yù)先規(guī)定穩(wěn)定帶內(nèi)的時(shí)間。測(cè)量信號(hào)的過(guò)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(cè)的響應(yīng)為μs或ms量級(jí)，而RIGOL的DS1302CA可以測(cè)量最小1.2ns的上升時(shí)間，完全可以捕獲該瞬變信號(hào)。圖2反映了電流由0.1mA到65mA的過(guò)程中電壓瞬態(tài)變化情況。
2、及時(shí)發(fā)現(xiàn)有害波形信號(hào)
電源的開啟延遲是從施加交流輸入至輸出達(dá)到其調(diào)整范圍之內(nèi)的時(shí)間。如果開關(guān)電源在開啟時(shí)，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(duì)于該有害波形，可以通過(guò)抑制電路等方法來(lái)消除。而通過(guò)用示波器的測(cè)量，我們就可以及時(shí)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(hào)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(hào)
如果捕捉到偶發(fā)、瞬時(shí)信號(hào)后不僅僅滿足于對(duì)該信號(hào)的簡(jiǎn)單分析與計(jì)算，還希望能夠在系統(tǒng)中重現(xiàn)該信號(hào)，那么RIGOL數(shù)字示波器與函數(shù)/任意波形信號(hào)發(fā)生器的無(wú)縫互連則可以提供完美的解決方案。DG3121A信號(hào)發(fā)生器可以通過(guò)專用接口直接訪問(wèn)DS1302CA的波形內(nèi)存，從而在信號(hào)發(fā)生器上再現(xiàn)之前捕獲的毛刺或偶發(fā)信號(hào)波形。通過(guò)這樣的方法，可以再現(xiàn)信號(hào)，讓測(cè)試測(cè)量更加方便。
4、同時(shí)測(cè)量輸入輸出信號(hào)
在開關(guān)電源測(cè)試中經(jīng)常同時(shí)測(cè)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(lái)了一定難度。DS1302A的交替觸發(fā)能夠同時(shí)測(cè)量分析輸入和輸出兩個(gè)信號(hào)，解決了操作上的難題。以往在中端示波器中，雙通道同時(shí)顯示時(shí)都是時(shí)基共用，而現(xiàn)在的產(chǎn)品就可用交替觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道各自有自己的時(shí)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(gè)不同的信號(hào)，一個(gè)是Vpp=188V的信號(hào)，另一個(gè)是Vpp=102mV的信號(hào)，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(duì)其平均值的周期性和隨機(jī)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(shí)間尖峰的信息，而有效值則有利于確定預(yù)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(hào)波形：
數(shù)字萬(wàn)用表應(yīng)用方案
1、開關(guān)電源漂移測(cè)量
漂移主要指電源輸出電流或電壓的周期和隨機(jī)偏離。開關(guān)電源的漂移測(cè)量需要很長(zhǎng)時(shí)間，并對(duì)測(cè)量精度要求較高。實(shí)際測(cè)量中我們一般會(huì)把所有測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)做一個(gè)統(tǒng)計(jì)，然后在這個(gè)統(tǒng)計(jì)值的基礎(chǔ)上計(jì)算出它的PPM值，總時(shí)間在24小時(shí)左右。這個(gè)測(cè)試過(guò)程不但枯燥而且很容易出錯(cuò)，為了能讓工程師的測(cè)量變得更加方便，并且讓測(cè)量誤差降到最小，RIGOL提供了DM3064萬(wàn)用表加PC控制的解決方案。
通常實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們不但要滿足測(cè)試精度和測(cè)試速度的高要求，還要保障一定量的測(cè)試時(shí)間。這樣一來(lái)，如果長(zhǎng)期值守，就難免會(huì)出現(xiàn)測(cè)量失誤。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制測(cè)量，讓萬(wàn)用表采集每隔一段時(shí)間的電壓、電流，而對(duì)于時(shí)間段的大小，工程師也可以任意設(shè)定，真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)萬(wàn)用表輕松采集數(shù)據(jù)。DM3064可以實(shí)現(xiàn)一路最多采集200萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，如果要存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)也可以選擇直接存儲(chǔ)到U盤或者存儲(chǔ)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(kù)文件，以便于借助數(shù)學(xué)分析工具在電腦上直接對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2、多路巡檢測(cè)量
如果我們已經(jīng)不滿足于單路測(cè)量，希望實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)測(cè)量，則可以選擇DM3064的數(shù)據(jù)巡檢功能多路巡檢測(cè)量，最多能夠?qū)崿F(xiàn)一次同時(shí)測(cè)量16路信號(hào)。同時(shí)測(cè)量每個(gè)輸出模塊的電流電壓后，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)計(jì)出需要的數(shù)據(jù)，然后再對(duì)統(tǒng)計(jì)到的每路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
如果我們想看數(shù)據(jù)在巡檢時(shí)候的波形，也可以打開波形顯示，觀察數(shù)據(jù)巡檢時(shí)候的數(shù)據(jù)變化曲線。在波形圖中，我們可以通過(guò)Ultralogger軟件在PC上很直觀地看到電壓電流變化曲線，RIGOL萬(wàn)用表針對(duì)數(shù)據(jù)的巡檢和采集功能可以快速實(shí)現(xiàn)電流電壓的巡檢 和數(shù)據(jù)采集。并且Ultralogger軟件能通過(guò)GPIB和USB總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，也可以通過(guò)LAN實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且能把每個(gè)工作站的數(shù)據(jù)報(bào)告定期返回給遠(yuǎn)程的服務(wù)器。
3、溫度測(cè)量
溫度測(cè)量是電源產(chǎn)品測(cè)試過(guò)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，所以溫度對(duì)于電源也是重要的測(cè)量參數(shù)之一。
隨著電源技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品對(duì)溫度的要求越來(lái)越高。在測(cè)量過(guò)程中，可以用DM3064萬(wàn)用表加上溫度傳感器把采集到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。
同理，如果需要?jiǎng)e的方面的應(yīng)用，也可以使用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測(cè)量，選擇采集功能實(shí)現(xiàn)快速傳感的測(cè)量功能。
其他應(yīng)用測(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量，在這類產(chǎn)品測(cè)試中，我們可以增加信號(hào)源來(lái)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(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)來(lái)模擬原控制信號(hào)。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(hào)源。另外，我們可以把上面的儀器都集成到測(cè)試系統(tǒng)中去，把信號(hào)源、萬(wàn)用表、示波器、功率計(jì)等綁定在一起，通過(guò)軟件的控制可以來(lái)實(shí)現(xiàn)不同性能及其輸入輸出特性的測(cè)試，幫你實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化測(cè)試，如圖10。
近年來(lái)，中國(guó)電源行業(yè)發(fā)展迅猛，作為國(guó)內(nèi)最大的基礎(chǔ)測(cè)量產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商，RIGOL始終堅(jiān)持走自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)路線，不斷為用戶提供卓越的產(chǎn)品和有價(jià)值服務(wù)。RIGOL相信，只有不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和易用性，才能不斷提高測(cè)試測(cè)量效率，從而提高生產(chǎn)和研發(fā)效率。
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