电源模块虚拟测试系统

随着国内企业对电源产品多样性和复杂性的要求的加大，电源产品的性能和指标如何科学而快速地检测成了一大难题。原来的手动测量方式已不能满足生产厂家和用户的要求，测试自动化成为电源模块测试追求的目标。

 

随着虚拟仪器技术和计算机测试技术的发展，使得在传统的电源测试领域引入计算机虚拟测试和处理技术成为可能。我们根据市场的需求，设计了新型的电源测试系统，它使用以数字调整和计算机分析为主的虚拟测量方法，以替代原来的模拟测量方式，准确、快速地测量电源产品的各项性能指标，并能做出各种数据统计和分析。

 

系统功能和组成

 

根据系统的要求，系统由计算机主机、数据采集和控制卡、程控交流源、程控直流源、4路电子负载、电源测试盒和一些附属电路组成(图1)。

 

 

 

图1  系统框图

 

系统可以测试电源模块的输出电压、源效应 （电压调整率）、负载效应 （电流调整率）、效率、纹波，还可以测试模块是否具有过流保护和短路保护的功能。

 

系统可以创建电源模块数据库，可以存储模块数据，可以进行模块删除，并可以对测试数据进行处理、修正、统计和显示，对测试数据报表进行整理和打印。系统还具有双通道测试夹具以提高测试速度。

 

系统设计

 

程控交流源

 

程控交流源的功能是根据电源模块对输入电源的要求来输出交流电源。系统采用自耦变压器方式来产生需要的各路电源。变压器输入为∽220V,输出部分的各组输出采用继电器切换的方式来获得需要的各路电源。各个继电器的开、关信号由计算机通过控制接口板的I/O口进行控制。

 

在电源的输出端安装交流电压测试模块和有功功率测试模块来分别测试交流源的输出电压和输出功率，把采集到的信号转换为低电压的直流电压信号，并通过A/D口送入计算机处理和显示并与所需要的数值进行比较。如果信号偏差值较大，说明电源输出的电压或电流误差较大，就可以启动报警电路和保护电路，把程控交流源的输入电压用继电器断开，并提醒操作人员检测故障。

 

程控直流源

 

程控直流源的功能是产生直流电源，来提供给DC/DC电源模块的电压输入端。系统采用变压器降压，然后整流、滤波的形式得到直流电源，最后根据系统的要求，由计算机的D/A输出口根据调整功率管的工作范围得到需要的调整后的电源。

 

变压器输出分为4档，分别由D/A口对控制信号进行调节以保证电源输出精度，电路对输出的电压、电流进行取样，并对电压、电流信号的乘积进行采样，分别把这些信号输入到保护电路，如果信号大于保护设置的电压值，则系统启动保护电路，切断电源，并提醒用户及时排除故障。

 

电子负载

 

本系统采用功率调整管作为电子负载，通过计算机的D/A口输出电压控制信号，信号经过调整以后，通过调节功率管的基极电压把功率管模拟成负载使用。

 

在功率管的输出端采样电压和电流信号，采样到的电压和电流信号分别送给系统保护电路，同时把电压和电流信号处理成功率信号也送给系统保护电路与设定值进行比较，如信号过大，则启动保护电路，切断输入回路和输出回路，并启动报警电路以提醒用户注意，故障排除以后可以使用复位电路使保护电路复位。

 

采样到的电压信号和电流信号经处理后送计算机进行处理，并与需要的参数值进行比较，如有偏差可以经过接口板D/A口输出电压控制信号重新调节功率管的工作状态。

 

双路测试盒

 

根据系统要求，测试盒要有两个通道分别和被测的电源模块进行连接，系统采用继电器转换的方式对两个通道分别进行测试。当1通道开始工作时，通过继电器把通道2断开，并把指示通道1工作的开关信号送入计算机，使计算机对通道1进行测试，测试得到的电压信号和纹波信号送给系统处理。测试完成后，通道1断开，通道2吸合，把开关信号送入计算机，计算机开始对通道2上的电源模块的性能指标进行测试。

 

系统的隔离与耦合

 

由于系统需要的接口板的A/D口、D/A口较多，而且需要隔离。方案采用两块工控接口板来完成所需要的功能，分别如下：

 

* A板提供D/A口2路，其中1路作为调节程控直流电源时使用；提供A/D输入口16路，作为功率信号、电压信号、电流信号、纹波信号的输入通道；提供I/O输出口16路，用于控制程控交流源的输出以及其它信号的控制；提供I/O输入口16路，用于开关信号的输入控制。I/O口的逻辑电平符合TTL电平标准。

 

* B板提供4路互相隔离的D/A口输出，分别提供给4路电子负载作为调节信号使用，4路输出信号与计算机进行隔离并且各路信号彼此之间采用高速光电隔离器进行隔离，这样既保证了隔离的效果，又能使系统的线性度达到最好。

 

系统软件

 

在虚拟仪器测试软件中，LabVIEW是一个极强的软件开发平台。但LabVIEW是一种结构化解释型开发平台，用它开发的软件，无法在Windows操作系统下直接运行。根据综合考虑软件界面设计采用中文Visual (暂不可见)语言编程，而控件设计采用LabVIEW提供的控件，这样一来设计的软件界面简洁、开发容易、维护方便，便于数据维护和管理。同时又具有速度运行快、功能强大、操作简单的特点。

 

用户在登录系统以后可以完成以下功能：

 

* 初始化。可以输入和编辑各种电源模块的参数，进行标准值的设定，进行模块的查询、更新和删除。

 

* 模块测试。系统可以根据需要对电源模块的参数进行自动测试或单步测试，可以设置测试型号及数据、测试条件、测试项目、测试顺序，并可以进行自动测试或单步测试的选择，并可以设置测试的标准。

 

* 数据分析和统计。该软件可以对测试数据进行处理和修正、对产品性能进行分析、进行误差超标分析、可以对数据进行分类，对产品的合格率或其它数据进行统计。

 

* 数据处理与输出。该软件可以对产生的数据进行格式转换、进行图形化显示，可以产生报表，并可以进行打印和预览。

 

* 系统维护。该软件可以判断系统的故障并给出提示，可以进行界面个人化设置，系统并有用户管理和帮助功能。

系统软件的主界面示于图2。

 

 

 

图2  系统软件主界面

 

系统软件的测试界面示于图3。

 

 

 

图3  系统软件测试界面

 

虚拟测试系统的几个技术难点分析

 

信号的采集和放大

 

在信号采集过程中，为了保证测量的准确性，系统采用高精度的无接触式传感器并分段测试，来保证测量的精度。

 

放大电路采用专用的仪表放大器AD620，AD620可以取代低价格、分立的双运放或三运放结构仪表放大器的设计方案，并且具有优良的共模抑制、线性度、温度稳定性、可靠性。根据AD620AN的电路结构，可以得到增益计算公式：G=(R 1 +R 2 )/RG +1，其中内部增益电阻R 1 和R 2 都调整到绝对值25kΩ，所以只需一只外接电阻R G 便可准确设置增益。增益电阻R G 的选择，按下式计算：R G =50.5kΩ/(G-1)。

 

在本系统中AD620AN的应用电路如图4。

 

 

 

图4  AD620AN应用电路

 

如果调整到G=50，则依据上述公式，RP3=931Ω。

 

在本系统中，AD620AN用来对系统的电流信号进行放大，系统通过采样电阻把采样过来的信号接入到放大器的输入端，经过放大以后给系统的其它部分进行处理。

 

信号的线性隔离

 

由于电子负载接在电源模块的输出端进行工作，因此各路电子负载相互之间应该进行隔离，并与公共回路进行隔离。本系统采用HCPL4562隔离放大器，它可以对模拟信号提供宽范围的光电隔离，它通过一个高速的检波器使器件具有良好的线性度和低频偏。 图5是电子负载中电流信号隔离电路中的HCPL4562的工作电路。

 

 

 

图5  电子负载中电流信号隔离电路

 

根据器件的工作原理，信号从隔离放大器2引脚输入后，从放大器的基极输出端引出电流，经过电阻转化为电压信号后送入下一级放大器。

 

图5中光电隔离器的输入端接入射随器，输出端接一个放大倍数为100的运算放大器，通过调节电位器RP8（也就是调节隔离器的输入端电流）可以使输出电压完全跟踪输入电压的变化。

 

非线性误差的自动校正

 

在整个系统的测试过程中，虽然在信号的测量和放大部分采取了比较好的测量方式，在信号的传输隔离中也尽量减少非线性的误差，但是经过整个系统的传输、放大、隔离、A/D转换，非线性的误差仍不可避免，为了满足系统的精度要求，需要采取自动校正措施。

 

自动校正采用软件方式实现，采用查表法和插值法相结合的方式实现。

 

在一些标准的电压和电流节点上，用查表法对测试数据进行校正。

 

如果我们测试一个标称值为15V的电源，而实际的测试值为16V，那么此电源模块实际的电源输出为：

 

(15/15.8)Χ16V=15.19V

 

在一些非标准的电压和电流节点上，用线性插值法对测试数据进行校正，在数学上用下述公式：

 

Y=Mi（X-Xi）+Yi    i=0，1，2，3，...

 

其中M为第i段的斜率。

 

Mi＝（Yi+1-Yi）/（Xi+1-Xi）

 

其中Yi+1　　Yi　　Xi+1　　Xi　　分别为插值节点及插值节点对应的数值。

 

结语

 

本电源模块测试系统具有测试成本低、测量范围广、测试自动化程度高、测试精度高、测试速度快、可靠性高、方便数据查看和统计的特点，系统经过试验和测试完全满足国家对低压电源模块测试的要求，并得到了试用厂家的肯定。随着虚拟测试技术和计算机数据处理技术的发展和完善，随着国内对智能仪器设备需求的增加，电源模块虚拟测试系统必然会越来越多地应用于电源模块的生产企业和使用单位。 

 

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