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RIGOL技术站:3分钟学会一个电源测试技巧
发布日期:2020-08-18 18:54

电源系统是整个电子设备的基石,一个电子设备通常需要一个或者数个电源单元才能支撑其运行,因此它决定了整个系统的完整性和可靠性。

在电源量产时,大家需要和各种器件离散性做“斗争”,那么一个电源是否是稳定的、鲁棒的?在设计电源时,大家必须要对其性能做详尽的测试和验证。其中包括在动态负载条件下对电源进行稳定性评价。


目录

1、动态响应测试在电源测试中的重要性

2、如何使用RIGOL的DL3000电子负载及配套仪器进行测试系统搭建

3、如何对测试结果进行特征分析


性能优良的电源到底“优良”在哪里?

一个设计优良的电源设备,具有以下特性:

较好的负载调整率和较好的电源调整率

较好的负载动态响应和电源动态响应:恢复时间快,电压跌落/过冲小

其他指标,如纹波,效率,启动时间,输入浪涌电流,功率因数等


何为负载动态响应?

动态响应性能,包含负载动态响应和电源动态响应,是电源非常重要的指标之一。


负载动态响应指的是在恒压模式下,继输出电流规定大小的阶跃变化之后,输出电压恢复到规定百分数范围内的时间;或者在恒流模式下,针对输出电压规定大小的阶跃变化,输出电流恢复到规定百分比范围的时间。在常见的电源应用中,负载可能存在快速波动,此时能够保证输出电压的稳定是电源需要具备的性能之一,而动态响应测试可以较好地评估电源内部稳压控制的稳定性。


搭建测试环境


-示波器(RIGOL全系列示波器)

-电子负载(DL3000系列)

-RP系列或PCA系列电流探头(PCA系列电流探头需搭配DS/MSO7000、MSO8000系列示波器使用)

-RP系列电压探头(如PVP2350)

-符合供电条件的电源


如何操作?


Step1 完成硬件系统连接


-将DUT的输出端连接在DL3000电子负载的输入端子上(注意电源和负载极性)

-将合适的①电压探头并联在DUT输出端,探头连接到示波器的通道1

-将DUT输入端与供电电源连接

-用电流探头②卡在DUT输出端的地线上,电流探头连接到示波器的通道2


Step2 设定参数


-将DL3000电子负载设定为CC(定电流)模式后,按下前面板的[CON]按钮即选择Continual模式,此时屏幕上将会显示设置向导,如下图所示

-根据DUT的额定电流设定Range、A/B值和斜率、频率


设置向导示意


-配置完成后点按[应用]使设定值生效

-将示波器通道1(电压探头监测通道)设定为AC耦合,垂直档位调节到合适范围(通常是50~100 mV/Div)

-将示波器电流探头连接在通道2

-示波器的触发通道选择为通道2,触发边沿选择为“上升沿触发”,触发模式选择为“普通”模式。


参数设定要点

-A/B值:A值可以选定为DUT的额定电流;B值初始值可以设定为A值的80%,后续根据实际波形适当调节B值

-斜率:斜率通常意味着从A值转换到B值的电流斜率,斜率越高意味着激励包含的频率分量越高,因此建议选择最大值

-频率:通常来说1KHz 50%占空比作为初始参数是一个不错的选择。在后续测试中可以根据实际波形适当提高/降低


Step3 开始测试


打开DUT供电电源输出,对DUT上电后点按DL3000电子负载的[Tran]进入连续测试


适当调节示波器

你将可以获取到较为清晰的测试波形,上图中通道2为电流探头测量的电流波形,通道1为DUT输出端子上的电压波形。


打开示波器的平均采样模式,可以获得低噪声的瞬态响应测量曲线。


操作要点


如何对测试波形进行分析?


根据实际DUT测试,可能会存在左图测试波形(严重振铃的电压波形)



可见此测试中DUT的输出电压在跳变过程中存在非常大的振铃,此振荡频率通常在系统的开环传递函数在180°交越点所对应的频率附近。这也意味着系统的相位裕度很小,对此振荡频率的阻尼较弱。



通过调整电路参数,可见响应波形逐渐改善,直至最后为右图所示的响应波形,可见振荡被快速阻尼,恢复时间也较为合理。此时系统的相位裕度已经较大,可以满足电源设计的需要。


相位裕度(频域)和响应波形(时域)存在一定的相关性,在右图所示的测试波形中,相位裕度在50~60°左右,裕度较大。


如何对测试图中的一些其他特征进行判别?


1)直流电压台阶


在测试中可能会出现动态响应A/B值所对应的电压不一致的情况,如下图的红色箭头指示。此时应该检查电流负载端子(功率回路)和电压采样端子(采样回路)的连接点是否正确,如果连接正确,则说明此电源电路有相对较差的负载调整率,需要针对性地排查,如测量系统的开环增益是否足够大。


电压台阶


2)较大的电压跌落和过冲


在部分测试中,可能会观测到具有过大的电压过冲和跌落特征的波形,这种波形通常更容易出现在线性稳压电路中。


较大的电压跌落和过冲(示意图片)


分析:这种情况的原因通常指向电源的输出滤波电容,电容的容值选取和整个反馈环路特性严重失配、电容的ESR特性劣化/虚焊、布线不合理可能都会导致此现象。一般来说,线性电源器件对输出电容的容值要求更高。在负载电流迅速突变的情况下,如果输出滤波电容的容值过小,导致电压下降的速度远高于反馈电路控制调整管动作的速度,将会在加载电流时带来较大的电压跌落。反之,将会在卸载电流时带来较大的电压过冲。


部分电源系统可能需要驱动一些特定的负载装置,如MOSFET/IGBT驱动电路、闪光灯等装置,其主要的特点是存在较大的负载突变,其存在时间较短的大功率状态以及时间较长的空闲(低功率)状态。由于占空比(Duty Cycle)较低,因此其平均功率较低,在电源设计时,可能会存在电容容量选择不足的情况。对于这种电路,使用动态响应测试功能可以非常直观的观察到电压的变化,对设计会有很大的帮助。


总结


通过使用DL3000作为测试核心进行动态响应测试,可以快速地完成对电源产品的性能评估。


与动态响应测试类似的测试方式还有伯德图(Bode Plot.)测试,两者存在一定的差异——



可见动态响应测试更倾向于定性测试,由于测试非常方便,便于整合进入ATE测试工装中,因此非常适合在电源生产过程中进行在线测试。


由于DUT的类型较多,因此有必要根据实际需求选择合适的仪器以备测试使用:



关键词:RIGOL 电源测试技巧 普源精电
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来 源:普源精电
编辑:清风
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