基于低頻噪聲測量的UPS故障診斷方法*

陳曉娟，陳東陽，申雅茹

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

CHEN Xiaojuan*，CHEN Dongyang，SHEN Yaru

(Information Engineer Institute，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

UPS是一種采用逆變原理將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為計(jì)算機(jī)供應(yīng)穩(wěn)定、連續(xù)、無干擾的電源，以保證計(jì)算機(jī)正常工作的精密電子設(shè)備。目前，大部分的UPS產(chǎn)品使用的功率VDMOS管作為其逆變器的核心器件。然而，由于功率VDMOS管在高功率、大電流且快速開關(guān)的工作狀態(tài)下，其導(dǎo)通電阻迅速增大，使得功率VDMOS管產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這大大限制了功率VDMOS管的擊穿電壓，導(dǎo)致UPS由于功率VDMOS管軟擊穿現(xiàn)象而無法正常工作［1］。

針對以上問題，本文提出了一種低頻噪聲測量LFNM(Low Frequency Noise Measurement)無損檢測的方法，建立了功率VDMOS器件的低頻噪聲模型，設(shè)計(jì)了帶補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的超低噪聲低頻放大器，它能夠很好地獲取UPS逆變器電路中功率VDMOS管的低頻噪聲，實(shí)現(xiàn)了對UPS電路故障的早期故障預(yù)警。

1 UPS電路的LFNM

一個(gè)簡化的LFNM系統(tǒng)框圖及各部分組成情況如圖1所示。

上述所有測量參數(shù)均在理想狀態(tài)下，尤其是溫箱的溫度和UPS偏置電路能夠被外部控制器(通常為PC)設(shè)置，這使得自動(dòng)噪聲測量成為了可能。然而，這種情況實(shí)現(xiàn)的可能性畢竟很小，盡管一些低噪聲可編程偏壓源Low Noise Programmable Biasing Sources(LNPBS)的例子已經(jīng)被驗(yàn)證是可行的，但是由于尺寸大小、高昂的費(fèi)用以及它們的采用會(huì)使得整個(gè)LFNM系統(tǒng)變得復(fù)雜等緣故，進(jìn)而限制了它們的使用［2］。

圖1 UPS電路LFNM系統(tǒng)框圖

2 VDMOS器件的低頻噪聲

功率VDMOS器件是一種表面效應(yīng)器件，表面載流子漲落是其1/f噪聲的主導(dǎo)因素。多數(shù)情況下，1/f噪聲是由于OMTC(Oxidizing Material Trap Charges)中

3 超低噪聲低頻放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3．1 低噪聲設(shè)計(jì)

根據(jù)測試要求，本文設(shè)計(jì)的放大器所遵循的原則為:

(1)選擇En、In盡量小的低噪聲器件，同時(shí)要考慮到信號源(這里是被測噪聲源)的噪聲匹配，即最佳源阻抗應(yīng)與信號源阻抗的匹配。從而保證前置級工作在最小噪聲狀態(tài)。

(2)根據(jù)非噪聲質(zhì)量指標(biāo)水平來對放大鏈后級進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)一般增益情況和整體性能的要求來決定采取的放大形式和鏈長等。

根據(jù)弗里斯(Friis)公式:

可知，在整個(gè)放大電路中，首級放大電路對噪聲系數(shù)的影響是最大的，所以輸入級的噪聲性能設(shè)計(jì)的好，則整個(gè)放大器的性能就會(huì)提升。為了降低放大器背景噪聲，輸入級電路要具有較大的開環(huán)電壓增益和短路電流增益，因此，本文前置放大器選取共射組態(tài)［5］。

在低噪聲設(shè)計(jì)中，為減小從放大電路引入器件噪聲，避免其對DUT的噪聲信號產(chǎn)生影響，需要精心選擇放大電路的元器件，采用蓄電池供電，并且各器件及連接導(dǎo)線接頭的焊點(diǎn)力求表面光滑，無尖角

式中:A是白噪聲值;B是1/f噪聲幅值;α為1的常數(shù);Ci表示g－r噪聲的幅度;foi為第i個(gè)g－r噪聲的轉(zhuǎn)折頻率;N為g－r噪聲的量度。因而，功率VDMOS管能否正常工作，可通過其1/f噪聲表現(xiàn)來判斷，功率VDMOS器件的1/f噪聲特征如圖2所示。的載流子數(shù)波動(dòng)引起的，而且溝道內(nèi)遷移率升降對其也有很大的影響。氧化層陷阱的表面勢被電荷的波動(dòng)所調(diào)制，這導(dǎo)致了溝內(nèi)的載流子數(shù)目無規(guī)則變化，同時(shí)，庫侖散射也將被調(diào)制，并且引起溝的遷移率的升降，因此，導(dǎo)致溝道電流的變化［2－3］。與電子元器件的低頻噪聲模型建立類似，利用噪聲疊加原理來建立VDMOS管的噪聲模型，即把可以影響UPS低頻噪聲的VDMOS器件的噪聲參數(shù)疊加取平均，用以來表示其噪聲參數(shù)模型。其低頻噪聲通常表現(xiàn)為1/f噪聲、g－r噪聲、白噪聲等的疊加，式(1)為它的功率譜密度［4］。及突起，應(yīng)在外面刷絕緣漆進(jìn)行密封保護(hù)，以減少從焊點(diǎn)引入的外部噪聲影響。電阻用線繞電阻器，使其最大化降低噪聲。

3．2 低噪聲前置放大電路設(shè)計(jì)

該電路的主要功能是將UPS中逆變器的核心器件功率VDMOS管的輸出的噪聲作為信號，經(jīng)濾波后用放大器放大，放大器的輸入方式一般采用差模方式。前置放大電路要具有較低的噪聲，有較高的輸入阻抗和較大的共模抑制比，并且測量精度高，穩(wěn)定性良好等特性。

針對降低前置放大器的等效輸入噪聲電壓EIVN(Equivalent Input Voltage Noise)的問題，本文提出的解決方案是通過調(diào)整用在放大鏈第1級的有源器件來使之降低。由于分立元件EIVN的表現(xiàn)是最佳的，所以通常在輸入級使用分立元件，本文選取了成匹配對的雙極性晶體管SSM2220作為最低EIVN的輸入級，通過這個(gè)設(shè)計(jì)，可以獲得很好的EIVN 表現(xiàn)［6］。

圖3(c)給出了前置放大電路的原理圖，該電路采用兩級放大形式，總增益為80dB。區(qū)別于鎖相放大器和BrookDeal5003(BD5003)等前置放大器，本放大電路的輸入級采用直流耦合的形式，它可提供34 dB的增益。

圖2 功率VDMOS器件的1/f噪聲特征

圖3 帶補(bǔ)償網(wǎng)路的前置放大器電路原理圖及前端測試電路

從電路圖中可以看出，圖3(c)中的輸入三極管Q3和Q4的使用可以使電源阻抗的噪聲值減少30Ω～50Ω，由Q1和Q2組成的鏡像電流源推動(dòng)輸入三極管，使得輸入三極管獲得大約0．25 mA的射極電流。低噪聲運(yùn)算放大器(OP27)的使用是為了獲得高的電壓增益值，它的閉環(huán)增益可以通過R12/R1來設(shè)置。第2級引入了更進(jìn)一步的放大，它是交流耦合的，這可以消除第1級輸出端的直流分量。為了使得交流耦合的頻率在所期望的頻率范圍內(nèi)，本文選擇了東芝公司的2SK146作為輸入部分，它是一款低噪聲的FET，具有非常的低等效輸入電流噪聲。其中一個(gè)FET作為電流源為另一個(gè)FET提供漏級電流，這個(gè)方案最大限度的降低了來自運(yùn)算放大器反相輸入端的解耦電源的噪聲的影響。與第1級相比，第2級是使用微分配置的輸入級來解決降噪的。第1級高的增益值與第2級低噪聲指數(shù)相結(jié)合使得整個(gè)放大電路的噪聲功率譜與第1級相近。并且第2級采用了交流耦合，第2級輸出端的直流分量只來自于OP17的失調(diào)電壓，其數(shù)值小于 2 mV［7］。

在前置放大電路的末端增加了一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)放U3和電阻R15，電容C6組成一個(gè)積分器，它的現(xiàn)實(shí)的是積分和倒相的功能，這可以大大降低失調(diào)電壓對產(chǎn)生的電路影響。

3．3 濾波器的設(shè)計(jì)

為了降低其他干擾信號，加人了50 Hz陷波濾波器和帶通濾波器。

50 Hz陷波濾波器的基本構(gòu)成是一個(gè)減法器和帶通濾波器的結(jié)合，主芯片是LT1112，采用雙T型網(wǎng)路構(gòu)成，基本保證了在其阻帶內(nèi)的增益為零，此陷波器具有良好的選頻特性和較高的Q值。它的作用是將逆變器輸出的工頻信號濾除掉，以減少對所要采集的低頻噪聲的干擾。其電路原理圖如圖 3(b)所示［8］。

由陷波濾波器的標(biāo)準(zhǔn)形式可知:

其中心頻率f0的計(jì)算公式為:

如圖 3(d)所示［9－10］，帶通濾波器是由一片LT1112運(yùn)放構(gòu)成，由此運(yùn)放構(gòu)成的帶通濾波器具有較低的輸出阻抗、較高的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗，而且還具有一定的電壓放大和緩沖作用，在弱信號檢測中具有良好的性能表現(xiàn)。

這里令中心頻率為式(8)電壓放大倍數(shù)為，

同相比例運(yùn)算電路輸入比例系數(shù)為，

經(jīng)計(jì)算，上、下限截至頻率分別為，

可得其通頻帶為，

4 測試結(jié)果

基于上述方法，對兩臺(tái)山特公司生產(chǎn)的MT1000－PR0型UPS進(jìn)行低頻噪聲測試。其低頻噪聲測試結(jié)果如表1和表2所示。由測試結(jié)果可知，MT1000－PR0型UPS的低頻噪聲主要是1/f噪聲，而且表現(xiàn)出隨著頻率的增加幅值減小的特性，但也有部分表現(xiàn)出具有額外的g－r噪聲，這表明UPS內(nèi)部存在軟故障。電流傳輸比的測試結(jié)果表明，其中一臺(tái)UPS在工作點(diǎn)處的CTR明顯小于另一臺(tái) UPS［11］。

表1 低頻噪聲功率譜測試結(jié)果

表2 低頻噪聲功率譜測試結(jié)果

放大電路的背景噪聲驗(yàn)證，經(jīng)測試，與鎖相放大器和BD5003相比，其噪聲性能得到了顯著的改善，在實(shí)現(xiàn)對低頻噪聲放大上，有著明顯的性能優(yōu)勢［12］。本文設(shè)計(jì)的放大器與鎖相放大器和BD5003的EIVN譜情況如圖4所示。

圖4 前置放大器的的EVIN對比圖

5 結(jié)論

本文提出了一種針對UPS低頻噪聲測量的故障診斷方法，明確了對應(yīng)的測試系統(tǒng)的構(gòu)建原理及性能要求。建立了功率VDMOS器件的噪聲模型;提出了一種帶補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的低噪聲前置放大器，該放大器不僅能滿足放大要求，而且其背景噪聲與鎖相放大器和BD5003相比，顯著降低。對UPS的低頻噪聲測試結(jié)果表明，采用該方法可準(zhǔn)確地獲取UPS核心逆變器件VDMOS低頻噪聲，并且在準(zhǔn)確率上較傳統(tǒng)方法提高了85%，實(shí)現(xiàn)了對UPS故障的行初步檢測與評估，提高了系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的適用性。

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