DC/DC變換器啟動時間測試問題分析

張路路

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471099）

0 引言

DC/DC變換器以其體積小、重量輕、功率密度高、效率高、可靠性高等特點,被廣泛用于對環(huán)境要求苛刻的應用場合,如宇航、軍事、汽車電子控制系統(tǒng)等[1]。由于采用模塊組建的DC/DC變換器具有設計周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點, DC/DC變換器的應用越來越廣泛[2]。

在裝機使用前對某批國產(chǎn)DC/DC變換器進行測試時，發(fā)現(xiàn)多只DC/DC變換器啟動時間參數(shù)超差，與產(chǎn)品隨行的廠家測試數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)測試結果存在較大差異。

1 DC/DC變換器的工作原理與啟動時間的測試

1.1 DC/DC變換器的工作原理

DC/DC變換器主要由輸人濾波、功率轉換、變壓器、整流濾波、取樣比較、光藕隔離、PWM脈寬調制器和輔助電源組成。輸人的直流電壓首先經(jīng)過輸人濾波部分，濾去其中的干擾，一方面給輔助電源供電驅動PWM（脈寬調制器）模塊，另一方面經(jīng)過功率轉換部分，由PMW控制，把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓，并調節(jié)脈沖的占空比，至此，就把輸入的直流電壓轉變?yōu)榻涣麟妷?，其幅值可以通過變壓器升高或降低，最后得到的交流波形經(jīng)過整流濾波得到直流輸出電壓。

1.2 DC/DC變換器啟動時間的測試原理

啟動時間也稱為啟動延時，目的是測試DC/DC變換器在施加階躍輸入電壓后，輸出電壓達到其電壓額定值的90%時的時間。測試原理圖如圖1所示。

圖1 啟動時間測試原理圖

將開關S1斷開，電路置空載狀態(tài)，閉合S2，使施加到DUT上的階躍輸入電壓為測試的要求值VI。此時在存貯示波器上對照輸入電壓、輸出電壓的建立波形，當輸出電壓穩(wěn)定到額定輸出電壓Vo的90%時，即可測出空載時的啟動時間；將開關S1、S2閉合，調整RL使輸出端電流表上的電流為規(guī)定的滿載電流IO，斷開S2，然后重新閉合S2，使施加到DUT上的階躍輸入電壓為測試的要求值VI，此時在存貯示波器上對照輸入、輸出電壓的建立波形，當輸出電壓穩(wěn)定到其額定輸出電壓Vo的90%時，即可測出滿載時的啟動時間。

2 測試結果差異分析

在測試國產(chǎn)的某批DC/DC變換器SWH05-28S05A時，測試結果顯示該批DC/DC變換器的啟動時間均超差，要求值為小于10ms，實測值為11.25ms～14.5ms，隨行的該批產(chǎn)品的測試報告給出的啟動時間范圍為7.5 ms ～8.7ms。

2.1 測試方法分析

DC/DC變換器生產(chǎn)廠家在測量啟動時間時，采用的是按圖1所示的電路進行測試。測試過程中分別用示波器監(jiān)控直流供電電源和DC/DC變換器輸出端的波形，在計算電源變換器的啟動時間時需要減去輸入直流電源的建立時間。

現(xiàn)場測試DC/DC變換器是采用專用的測試設備chroma 8000。對DC/DC變換器進行測量時，工控機控制直流電源輸出規(guī)定的直流電壓，并使DC/DC變換器拉動相應直流負載。與此同時可用功率表、數(shù)字示波器、時序分析儀、數(shù)字萬用表等測量各種所要求的參數(shù)值，并對測量數(shù)據(jù)進行記錄與判定。

2.2 測試過程的分析

使用chroma 8000測試DC/DC變換器需要建立相應的測試程序，將測試要求的測試項目添加至測試程序中并設置規(guī)定的測試條件和測試判據(jù)。啟動時間的測試是在chroma 8000系統(tǒng)軟件中開發(fā)的一個獨立測試項目。在測試DC/DC轉換器的啟動時間時需要用到的電子模塊有直流電源、直流電子負載、時序分析儀。在系統(tǒng)軟件中設定要求的測試條件（比如：直流電壓輸入值、電子負載的拉載值、時序分析儀的觸發(fā)條件和測試結束條件）、測試時間、啟動時間的判據(jù)。

在測試該參數(shù)前應斷開被測DC/DC變換器的電源輸入，經(jīng)過足夠時間的放電過程，以確保測量的準確性。設定時序分析儀的開始計時條件為和結束計時條件，開始計時的觸發(fā)條件為：直流電源輸出規(guī)定電壓10%時的電壓值，上升沿觸發(fā)，結束計時的觸發(fā)條件為：輸出達到額定輸出電壓的90%，上升沿觸發(fā)，而對于負電壓輸出的DC/DC變換器結束計時的條件是輸出達到額定輸出電壓的90%，下降沿觸發(fā)。

2.3 測試波形的跟蹤與分析

以Crane公司生產(chǎn)的雙路輸出DC/DC變換器MHF+2815D為例，如果用多路示波器分別檢測DC/DC變換器的輸入和輸出，理想的波形如圖2所示，在輸入電壓極快的達到額定值之后，經(jīng)過一段延時時間，DC/DC變換器開始啟動（輸出端有電壓輸出），輸出電壓再經(jīng)過一段上升時間，達到并穩(wěn)定在輸出電壓的額定值。

圖2 MHF+2815D的啟動時間測試波形

為了得到實際測試過程的波形，用示波器的差分探頭分別連接DC/DC變換器的輸入端和輸出端，檢測直流電源和輸出電壓的波形，其對比波形如圖3所示。

圖3 SWH05-28S05A啟動時間測試波形

對比圖2與圖3可以發(fā)現(xiàn)有兩點差異：

直流電源輸出28V電壓的上升時間過長，已經(jīng)大于電源變換器的啟動時間。

在直流電源還沒有達到預期輸出時，DC/DC變換器的輸出電壓已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。這是因為該DC/DC變換器正常工作電壓范圍時16V～40V，測試啟動時間要求在輸入電壓為28V時進行測試的，由于直流電源電壓上升較慢，在其還沒有達到設定的28V電壓時，DC/DC變換器的輸出電壓已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 誤差問題的分析與解決措施

通過以上的分析我們知道造成DC/DC變換器啟動時間測試誤差的原因是現(xiàn)場測試中使用的直流穩(wěn)壓電源的啟動時間過長。對此，有兩種設想來改進測試的準確性：

選用啟動時間快的直流電源，使直流電源在輸出測試要求的電壓時的穩(wěn)定時間小于DC/DC變換器啟動時間典型值的10%。SWH05-28S05A的啟動時間要求不大于10ms,測試設備chroma 8000采用的直流電源的上升速率是可調的，將直流電源的輸出電壓上升速率調為20V/ms,重復測試同一批DC/DC變換器SWH05-28S05A的啟動時間，測試結果與產(chǎn)品的出廠測試報告一致。

通過軟件算法排除直流電源穩(wěn)定時間的因素，從而得到正確的測試結果。利用時序分析儀測出直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定時間，在計算啟動時間時減去直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定時間，從而得到正確的DC/DC變換器的啟動時間。

從圖3可以看出第二種方法是不可行的，因為DC/DC變換器在直流穩(wěn)壓電源還沒有達到額定的輸出電壓時已經(jīng)正常啟動了，也就是DC/DC變換器的啟動時間小于直流電源的穩(wěn)定時間。

第一種方法可以從根本上解決測試誤差產(chǎn)生的因素，但是存在一定的弊端。因為一般直流電源在輸出設置的直流電壓需要一定的上升穩(wěn)定時間，這是為了避免直流電源在帶動較大的電流負載時產(chǎn)生過大的啟動沖擊，也就是啟動過沖。因此，需要在測試DC/DC變換器的過程中，僅僅在測試啟動時間參數(shù)時，采用將直流電源輸出電壓的上升速率調快，使直流電源的穩(wěn)定時間小于被測DC/DC變換器啟動時間典型值的10%之內(nèi)，測試其他參數(shù)時，保證直流電源有足夠長的電壓上升穩(wěn)定時間，以避免對DC/DC變換器產(chǎn)生較大的電壓過沖。

4 小結

本文通過比對兩方對同一批次的DC/DC變換器啟動時間存在誤差，確認了為DC/DC變換器供電的直流電源的上升穩(wěn)定時間會對測量啟動動時間產(chǎn)生很大的影響。為了準確測量DC/DC變換器啟動動時間，需要在測試啟動時間時調整直流電源的穩(wěn)定時間，使其接近于階躍輸出。