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电源测试中的白盒测试

发布时间:2018-07-12

本文将详细介绍电源测试中的白盒测试,包括辅助电源测试、驱动电路的测试、功率半导体器件的应力测试、磁性器件的测试、DC/DC反馈环测试、PFC性能测试等。

1、  辅助电源测试

测试说明:

电源中辅助电源有重要意义,电源模块的正常工作靠辅助电源来保障,辅助电源工作要比主电路要求更可靠,因为即使在输入电压超限的条件下,辅助电源还要正常工作,以实现正常的保护逻辑,而且功率器件的驱动,控制芯片的工作都要靠辅助电源来保障,因此,对辅助电源的要求是:无论在动态的情况下还是在静态的情况下,必须稳定可靠,输出电压稳定,以满足控制和通讯电路的要求。测试工作中要充分关注辅助电源。

测试方法:

辅助电源要关注以下几个问题:

A、 启动电阻设计是否合理,限流电阻(辅助电源的输入与高压直流母线排串联的电阻)设计是否合理;

B、 静态的情况下,辅助电源的电压是否在全电压、负载内;

C、 大动态的情况下,辅助电源是否正常;

D、 启动过程中输出电压是否出现过冲,384X Isence端及驱动波形是否异常;

E、  输出电压波形监测;

F、  开关管的电应力测试;

G、 辅助电源的温度应力测试;

H、 芯片的工作主要参数,如工作电压、功耗等。

针对这些问题,需要测试相应项目:

A、 启动电阻和限流电阻测试

启动电阻的功率降额必须满足设计要求,计算功率的公式为:P=(Vmax-V1)/R,其中Vmax为辅助电源在各种情况下最大的输入电压,V1为辅助电源控制芯片正常工作电压,计算出来的功率不能超过选用的启动电阻的功率,同时启动电阻的温升必须满足降额要求。在最高的环境温度、辅助电源最高的输入电压Vmax下,正常工作时,启动电阻的最高温度不超过120℃(15℃的降额,135℃-15℃=120℃),如果在常温下测试,测试温升需要转换到最高工作环境温度。

限流电阻的功率也要满足降额的要求,用示波器测试正常情况下,满载开机,满载关机情况下电阻两端的电压波形,通过电压波形,测试出电阻两端的电源有效值,根据有效值计算电阻的功率,要求功率在开机和关机以及正常情况下要满足降额要求。

B、 静态的情况下,输出电压范围测试

测试模块输入电压分别为Vinmin,Vinnom,Vinmax和输出Iomin,Ionom,Iomax,输出限流点,输出深度限流状态下的辅助电源每一路输出电压,要求每一路输出电压在每一种情况下都保持稳定,而且能够满足控制回路和通讯回路的可靠工作要求(注意:Vinmin为辅助电源刚刚开始工作的电压,Vinmax为模块输入过压保护后的电压,过压保护和欠压保护以后,模块都能正常工作)。

C、 动态的情况下,辅助电源输出电压范围:

用AC SOURCE调节模块的输入电压和输出负载同时跳变(输入电压在最高电压和最低输入电压之间跳变,跳变时间为50ms,输出从空载到满载跳变,跳变时间为5ms,tr和tf设置为20us对应1A),在这种情况下,测试辅助电源各路输出电压,要求每一路输出电压都能保持稳定,而且能够满足控制回路和通讯回路的可靠工作要求。

D、 关键点波形测试:

分别在输入过压点-5V、欠压点+5V启动时测试输出电压波形,3844 Isence端及开关管驱动波形,监测是否出现输出电压过冲、开关管过流及开关管驱动端波形异常等情况。同时在各种状态的情况下,各个关键点的波形测试。

E、  输出电压纹波测试:

输出额定线性负载情况下,用测试电压纹波的方法测试输出电压波形,其纹波P-P值应小于5%输出电压。

判断标准:

以上测试项目作为检测辅助电源性能的测试。启动电阻温升正常,未出现开关管电流及驱动波形异常,在工作范围内辅助电源电压正常,在异常电压输入范围辅助电源正常,合格;否则不合格。

2、  驱动电路的测试

测试说明:

功率器件的驱动技术是电源可靠性的重要保障,好的驱动方式能够实现有效的开通和关断,高效率,低的EMI干扰,快速实现功率器件的保护等功能,测试中应对功率管驱动进行测试,为了防止由于探头引起的影响,测试中用应采用差分隔离探头,并注意以下问题:

A、 驱动电路分析;

B、 驱动电压;

C、 驱动波形;

D、 瞬态情况下驱动波形;

E、  驱动芯片的电压,如起机过程中的芯片供电电压等。

测试方法:

(1)       驱动电路分析

审核驱动电路方式,无论变压器隔离驱动和集成IC驱动,驱动电阻应满足推荐要求,如果采用加速电容或快速关断方式时应评估其作用,负压关断时应确认其影响,一般情况下GS应有稳压管,分析驱动电路,确认电路设计合理性。

(2)       驱动电压

目前,公司的大部分的开关管都是使用MOSFET或IGBT,MOSFET和IGBT的驱动都是使用电压方式,高的驱动电压会击穿栅极,测试在空载、半载、满载、限流状态、空载满载跳变、空载到限流跳变、空载到深度限流跳变,空载到短路及输入电压为最低、额定、最高,从最高电压到最低电压跳变条件下的驱动波形,要保证驱动电压低于规定电压,一般峰值应小于20V,同时注意驱动电压要满足饱和驱动。

(3)       驱动波形

测试在空载、轻载、半载、满载、限流状态、空载满载跳变、空载到限流跳变、空载到深度限流跳变,空载到短路及输入电压为最低、额定、最高,从最高电圧到最低电压跳变条件下的驱动波形,波形的上升和下降沿应平滑,且满足效率和EMI要求,开通中不应有下跌,关断后不会出现尖冲,死区时间满足设计要求。

对比PWM芯片输出波形和驱动波形,确认驱动波形和PWM输出波形一致。

(4)       驱动回路

功率器件(MOSFET和IGBT)驱动电源要求低的阻抗特性,驱动回路面积尽可能小,驱动线尽量短,且驱动回路必须与功率回路分开。

(5)       瞬态状态下的波形

在瞬态条件下,如开关机、输出突加负载、突减负载,由限流态到稳压态的转换,从稳压到限流态的转换,输出短路,短路开机,输出短路放开的情况下驱动正常。由保护到恢复的过程中,驱动正常,波形的上升和下降沿应平滑,开通中不应由下跌,关断后不会出现尖冲,死区时间满足设计要求,驱动波形不应出现震荡现象。

判定标准:

符合测试说明,合格;否则不合格。

(6)       主控制芯片供电电压的测试

用示波器测试主要的控制芯片的供电电压,捕捉模块上电过程、关机的过程以及正常工作情况下芯片供电电压的波形,芯片供电电压必须满足芯片资料的要求,同时最好工作在芯片资料推荐的工作电压下,任何情况都不能出现超过芯片工作电压范围的电压芯片供电。

3、  功率半导体器件的应力测试

测试说明:

功率半导体器件主要包括:DCDC的主功率管、输出整流二极管、PFC的主功率管、PFC的整流二极管、PFC的跨接二极管等。这些功率半导体器件的正确使用是电源可靠性的重要保证,为保证功率器件的合理使用,需要考虑合理的电流、电压降额和结温降额,故测试应在以下几个方面注意:

A、 满足电压降额要求:

B、 满足电流降额要求;

C、 满足温度降额要求

测试方法:

A、 测试功率半导体器件在最恶劣条件下的Vds电压波形,确定最高电压和最大尖峰电压。由于Vds的电压比较高,而且最大的电压尖峰的频率能够达到30-40MHz,故一般的测试时,电压尖峰小于300V的,可采用一般的示波器原配探头,当电压尖峰大于300V时,测试以高压无源探头的测试结果为准,测试的波形一般也不会失真。对于有源高压探头,因为贷款较窄,一般为20MHz,容易失真,不建议使用。

对于电压应力的测试,主要测试在动态情况下的电压应力,具体的测试条件如下:

(1)       输入电压为最高电压,分别测试输出空载、满载、限流状态、空载满载跳变、空载到限流、空载到深度限流,空载到短路情况下,器件的电压应力。改变输入电压,在最低输入电压和额定输入电压下重新以上的测试。记录测试的最大应力,记录超标的电压波形。

(2)       输入电压在最大电压和最下电压之间跳变分别测试输出空载、满载、限流状态、空载满载跳变、空载到限流、空载到深度限流,空载到短路情况下,器件的电压应力。

(3)       模拟系统上运行的情况测试下,在系统下,当模块处于浮充状态,监控使模块变为均充,这时由于模块电压上升速度不一致,导致电压上升较快的模块瞬态承受过高的功率,同时模块又没法短路回缩,这时模块的应力比较大,肯可能会导致器件应力超标。具体的模拟方法:如测试25A时,用100A的模拟和25A模块并联,然后带100A的负载,调节100A模块的输出电压为43A,25A模块的电压为42V,这时25A模块没法带载输出,突然调节25A模块的电压为58V,这时25A模块电压上升,从而瞬时带100A的负载,测试这时的管子电压应力。

B、 电流应力测试

测试功率器件在最恶劣条件下的Ids电流波形,确定最高工作电流和最大尖峰电流,具体的测试条件如下:

(1)       输入电压最低电压,输出电压为最大,分别测试输出满载、限流、空载满载跳变、空载到限流、空载到深度限流,空载到短路情况下,器件的电流应力。

(2)       输入电压载最大电压和最小电压之间跳变,分别测试输出满载、限流、空载满载跳变、满载到限流、空载到深度限流,空载到短路情况下,器件的电流应力。

具体可根据实际使用电路分析和测试,分别求出使用的最大额定电流。

C、 温度应力

分别测试功率器件的最高温升,温升应该满足降额要求。测试最高温度下器件的壳温是最直接的判据;作为替代方法可以测试常温下的温升△T,则器件的最高温升为:

Tcasemax=Tenvmax+△T              Tjmax=Tcasemax+P*Rth


Tcasemax:最高壳温;Tenvmax:最高环境温度;Tjmax:最高结温;P:器件的功耗;Rth:从结到壳的热阻

测试时,温度测试必须在最高的环境温度下测试。

测试的条件为:输入温最低的输入电压,输出为最大功率用多点温度测试仪测试各个功率器件的温升,同时打印温度曲线,直到温度曲线为平滑曲线为止。

同时必须测试风扇损坏时,在最恶劣情况下的温度应力,也必须满足降额要求。

判断标准:

(1)       对于电压应力,在各种条件下,满足测试的最大Vds小于器件的额定工作电压,合格;如果测试的最大Vds大于器件的额定工作电压,项目组能够出具体器件认证器件合格的《器件超额使用报告》,合格;否则不合格。

(2)       对于电流应力,在各种条件下,满足测试的最大电流小于器件的额定工作电流,合格;如果测试的最大电流大于器件的额定工作电流,项目组能够出具体器件认证器件合格的《器件超额使用报告》,合格;否则不合格。

(3)       对于温度应力,必须由15℃的降额,也就是说,在最高的环境温度下测试,器件的表面温度必须小于(器件的额定结温-15℃-P*Rth),一般P*Rth取15℃,符合上述说明,合格;否则不合格。

4、  磁性器件的测试

测试说明:

电路中磁性元件主要在输入共模电感、PFC电感、变压器、滤波电感、输出共模电感、驱动变压器、谐振电感等处使用,起着EMI滤波及能量传递等作用,评价磁性元件应用是否恰当主要关注以下几个方面:

A、 是否存在饱和现象

B、 温升是否满足要求,磁性温升是因为铁损和铜损造成。

常见的磁性材料有:铁氧体、坡莫合金、非晶态合金等,根据其特性,分别应用在不同的场合。

正确的设计才能保证磁性元件应有的合理,由于随温度的变化磁芯的特性有较大的变化,最次最恶劣的条件下的验证是必要的。

测试方法:

(1)       输入和输出共模电感

一般不会存在饱和问题,其主要作用是实现EMI要求,同时有抑制输入的共模串扰的作用,其考虑主要是良好的绝缘,在要求频段内的电感量,分步电容小,温升满足要求。前三点由EMC测试保证,温升需要测试,测试常温下最大电流条件下的温升△T,以衡量设计的合理性。

(2)       PFC电感

PFC电感在功率回路中起能量传递的作用,虽然一般PFC控制芯片具有限流作用,但是电感的饱和降引起严重温升和输入电流波形畸变,因此需测试最恶劣条件下的工作情况。

A、 测试最低电压输入,最大功率输出时的PFC电感电流波形,电流波形不会出现非正常的上翘,即不会饱和。

B、 降输入电压调整为在欠压点+5V、过压点-5V之间跳变,输出调整为最大线性负载时,测试PFC电感电流波形,电流波形不会出现非正常的上翘,即不会饱和。同时,需要在最低输入电压时分别测试输出满载、限流、空载满载跳变、空载到限流、空载到深度限流,电感电流的波形,判断是否能够满足要求。

C、 在最低输入电压,最大输出功率情况下,测试常温下的温升△T,应满足温升要求。

D、 在最低输入电压,最大输出功率情况下,测试最高工作温度下的温升△T,与常温比较无太大差异,且磁心温度不会超标。

(3)       变压器

随电路拓扑不同,变压器的要求也不同,不考虑集成磁情况,一般双极性变压器,单端正激类变压器,单端反激类变压器类型,且与具体采用的复位技术有关。

变压器的饱和温升问题是值得注意的问题,可以从以下方面考虑:

A、 变压器最大输入电流情况下的电流波形不应出现异常的上翘。

B、 将输入电压调整为在欠压点+5V、过压点-5V之间跳变,输出调整为最大线性负载、空载之间跳变,测试变压器的电流波形,电流波形不会出现非正常的上翘,激即不会饱和。同时,需要在最低输入电压时分别测试输出满载、限流、空载满载跳变、空载到限流、空载到深度限流,电感电流的波形,判断是否能够满足要求。

C、 在最低输入电压,最大输出功率情况下,测试常温下的温升△T,应满足温升要求。

D、 在最低输入电压,最大输出功率情况下,测试最高工作温度下的温升△T,与常温比较无太大昌邑,且磁心温度不会超标。

(4)       输出滤波电感

输出滤波电感工作在直流状态下,电感量的大小影响主电路的工作稳定性和特性。

输出滤波电感要求在最恶劣的情况下不出现饱和现象,温升满足要求。

A、 电感中流过最大电流情况下的电流波形不应出现异常的上翘。

B、 在最低输入电压,最大输出功率情况下,测试常温下的温升△T,应满足温升要求。

C、 在最低输入电压,最大输出功率情况下,测试最高工作温度下的温升△T,与常温比较无太大差异,且磁心温度不会超标。

判断标准:

(1)       测试中电感或变压器中电流在最恶劣状况下不会出现饱和;

(2)       常温下的磁性元件温升和最高工作温度下的温升现象;

(3)       换算到最高温度及最恶劣输出状态下磁性元件及其线包上的表面温度不超过安规的规定。对于绝缘等级A(105度),任何情况下,表面温度不超过90度;对于绝缘等级B(130度),任何情况下,表面温度不能超过110度;对于绝缘等级F(155度),任何情况下,表面温度不能超过135度;对于绝缘等级H(180度),任何情况下,表面温度不能超过150度。

(4)       磁性元件内部的温升不能超过《器件认证降额规范》要求的降额。

5、  DC/DC反馈环测试

测试说明:

每种DC/DC主电路拓扑都有其典型的反馈校正网络结构,合适的校正网络不但可以得到稳定的静态性能,而且可以获得良好的动态特性,通过测试和调整可以获得满意的校正网络。在闭回路下测得的系统开环传递函数,可以反应系统的稳定性,以及在不稳定的情况之下的调试趋势。由于温度对环路参数会导致一定的影响,故除了进行常温下的环路测试以外,还必须进行高、低温和湿度下进行环路测试。

6、  PFC性能测试

测试说明:

APFC技术随着对电流谐波的要求将日益应用广泛。公司目前主要应用UC3854和MC33368两种芯片,其中UC3854为电流连续的平均电流型,MC33368为临界电流型,输入电压范围较小,功率也较小。

PFC中要考虑的问题主要有以下几个方面:

A、 额定输入,额定输出状态下的谐波能否满足标准要求;

B、 驱动是否正常;

C、 电感是否满足要求;

D、 电流波形细节的观察;

E、  输入电压及谐波的适应性;

F、  输入电压的中断,跌落和缓慢变化的适应性;

G、 输入电压尖峰,缺口和畸变的适应性;

H、 功率器件使用的合理性;

I、   PFC环路设计的合理性;

J、   输入电压跳变,输出负载跳变;

K、  瞬态高压输入。

测试方法:

(1)       额定输入、额定输出情况下的谐波测试

输入电压谐波满足要求时,使用功率分析仪测试额定输入额定输出条件下输入电流谐波是否满足IEC1000-3-2要求。

(2)       驱动电路的测试

见规范驱动电路分析及其波形测试。

(3)       磁性元件测试

见规范磁性元件测试。

(4)       电流波形细节观察

电流波形细节观察能够发现设计的不合理,使用HP4149A示波器,用电流枪测试输入电流波形,展开观察正常情况下的电流波形,不应出现异常的脉冲宽度变化。在输入谐波及电压中断、跌落和缓慢变化时,电流不会出现异常,PFC电压正常,功率器件电流和电压耐量符合要求;输入电压尖峰、缺口和畸变时,PFC电压正常,功率器件电流和电压耐量符合要求。

(5)       输入电压谐波的适应性

A、 输入电压频率30Hz时,PFC工作无异常,能稳定运行;

B、 在3次谐波条件下,PFC稳定运行,电流波形无异常畸变;

C、 在输入电压为最高和最低时,A,B条件下PFC能稳定运行;

D、 输入THD《40%(包括3次、5次、7次、9次)时在输入电压为最高和最低时PFC能稳定运行;

E、  输入电压从最高到最低缓慢变化,中断和跳变时,PFC能稳定工作;

(6)       输入电压的中断,跌落和缓慢变化的适用性

A、 额定输入条件下,输入电压的中断、跌落和缓慢变化时,PFC输出电压及输入电流是否正常;

B、 输入电压在最低、最高的中断、跌落,以及从最低到最高的缓慢变化和跳变,PFC能稳定工作。

(7)       输入电压尖峰、缺口和畸变的适应性

A、 额定输入时,小于峰值1.5倍电压尖峰(每周期≤3个,从0值算起,《2ms),100%的电压缺口(每周期≤3个,《2ms),PFC工作正常;

B、 输入电压最高和最低时,小于峰值1.5倍电压尖峰(每周期≤3个,从0值算起,《2ms),100%的电压缺口(每周期≤3个,《2ms),PFC工作正常。

(8)       功率器件使用的合理性

见功率器件应力测试。

(9)       PFC环路设计的合理性

A、 电路分析

PFC控制有自己的特征,是一个双环控制系统,其设计有相应特征,对比采用电路和典型,分析设计的合理性。

B、 反馈环测试见DC/DC的环路测试

C、 动态响应测试

PFC输出电压接高压电子负载

Ⅰ、作25%-75%的动态响应,输出电压变压《5%;

Ⅱ、100%突加负载和100%卸载试验,输出电压变化《10%;

Ⅲ、输出额定负载,输入在最大电压和最小电压之间跳变,PFC不应出现保护现象。

(10)   输入电压跳变,输出负载跳变的适应性

将输入电压调整为在欠压点+5V过压点-5V之间跳变,输出调整在最大线性负载、空载之间跳变。

在上述条件下,应能稳定运行,不出现损坏或其他不正常现象,合格;否则不合格。若出现损坏情况,记录故障问题,以提供分析损坏原因的依据。

(11)   瞬态高压输入

A、 额定电压输入,用双踪示波器测试输入电压波形和过压保护信号,输入电压从220V跳变为300V,从示波器上读出过压保护前300V的周期数n,作为以下试验的依据。

B、 输入额定电压,带最大线性负载运行,在输入上叠加300V的电压跳变,叠加的周期数为(n-1),叠加频率为1次/3分钟,共运行2小时。

在上述条件下,应能够稳定运行,不出现损坏或其他不正常现象,合格;否则不合格。

判定标准:

符合测试说明,合格;否则不合格。

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