電源瞬態(tài)電流信號(hào)高精度測試電路設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證*

張 克 賀 國 張超杰

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

電源瞬態(tài)電流信號(hào)高精度測試電路設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證*

張 克1賀 國2張超杰1

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

電源瞬態(tài)電流測試(IDDT)是一種對(duì)電路傳統(tǒng)測試方法的新的補(bǔ)充手段,對(duì)電路故障診斷具有重要意義。由于電源瞬態(tài)電流信號(hào)本身具有高速、短暫、易被噪聲干擾等特性,使得IDDT信號(hào)難以捕捉。提出一種以三運(yùn)放儀表放大結(jié)構(gòu)為主體,能有效克服射頻干擾,同時(shí)具有軌到軌輸出能力的高性能IDDT片外電流檢測傳感器電路設(shè)計(jì)。用Pspice仿真捕捉到Sallen-key濾波器電路50us的動(dòng)態(tài)電源電流信號(hào)波形,仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的傳感器電路能夠有效讀取待測的Sallen-key濾波器電路不同故障模式下的IDDT波形,為利用電源瞬態(tài)電流測試提供了一種有效手段。

電源瞬態(tài)電流； 傳感器； 故障模式； 信號(hào)波形

1 引言

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,電路的集成度越來越高,電路測試難度不斷增大,測試成本呈指數(shù)增長,20世紀(jì)90年代美國學(xué)者提出了電源瞬態(tài)電流測試(IDDT)的概念[1],試圖通過觀察和分析電路在其內(nèi)部狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電流,來發(fā)現(xiàn)某些不能被其他測試方法發(fā)現(xiàn)的故障,其優(yōu)勢逐步受到研究領(lǐng)域和工業(yè)界的研究和關(guān)注。IDDT測試過程包含信號(hào)提取和故障診斷定位[2]。高性能的信號(hào)提取電路是電路故障診斷定位的基礎(chǔ),也是IDDT測試的硬件要求。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)IDDT信號(hào)提取電路研究較少,但國外的一些研究人員對(duì)信號(hào)提取電路做了部分研究[3～5],絕大部分研究針對(duì)芯片級(jí)的電路,把測試電路設(shè)計(jì)到了被測電路中,但改變了原有電路的結(jié)構(gòu)[5～6]。相對(duì)以片外式的傳感器電路在不破壞被測電路結(jié)構(gòu)的前提下,還能提取有效IDDT信號(hào),是最為理想的傳感器電路設(shè)計(jì)[7～8]。但這種電路級(jí)的模擬電路片外IDDT信號(hào)提取電路至今仍然缺乏成熟的設(shè)計(jì)。而在其他領(lǐng)域例如醫(yī)學(xué)、勘探、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中出現(xiàn)了一些高精度、快速、靈敏度高的電流信號(hào)傳感器的運(yùn)用,這些行業(yè)對(duì)電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)要求和本文研究的IDDT信號(hào)具有相似之處,因此借鑒其他行業(yè)相關(guān)測試技術(shù)進(jìn)展,本文提出一種IDDT信號(hào)提取電路,并通過仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的有效性,從而為下一步相關(guān)電路故障診斷定位奠定基礎(chǔ)[10]。

2 IDDT信號(hào)提取電路設(shè)計(jì)

IDDT信號(hào)提取電路的基本工作原理如圖1所示,在被測電路與電源端串接一個(gè)電阻RT,阻值設(shè)為10Ω。當(dāng)電源為被測電路正常供電時(shí),電源電流流過電阻RT并產(chǎn)生壓降,當(dāng)被測電路出現(xiàn)某種故障時(shí),會(huì)使電源電流產(chǎn)生瞬間微小的波動(dòng),這種電流的波動(dòng)可以通過電阻RT兩端的瞬間壓降體現(xiàn)出來。利用信號(hào)提取電路提取RT兩端的電壓,利用歐姆定律再除以RT阻值便可得到IDDT信號(hào)值。

2.1 儀表放大結(jié)構(gòu)

IDDT信號(hào)提取電路采用圖2所示的三運(yùn)放儀表放大結(jié)構(gòu)為主體。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中,運(yùn)放U1,U2為同相差分輸入方式,同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗,減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大,而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用,使得共模抑制比得到提高。在以運(yùn)放U3為核心部件組成的差分放大電路中,增加可調(diào)電阻Rg在共模抑制比要求不變情況下,可明顯降低對(duì)電阻R3和R4,Rf和R5的精度匹配要求,從而使該電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2,R3=R4,Rf=R5的條件下,圖2電路的增益Au為

(1)

由式(1)可見,電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。儀表放大結(jié)構(gòu)具有高增益、直流耦合的特點(diǎn),它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差等優(yōu)勢。

AD620是一款單芯片儀表放大器,采用經(jīng)典三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖2 儀表放大結(jié)構(gòu)電路

只需通過調(diào)整片內(nèi)電阻一個(gè)電阻便可實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精確編程(增益=100時(shí)精度可達(dá)0.15%)。單芯片結(jié)構(gòu)和激光晶圓調(diào)整允許對(duì)電路元件進(jìn)行嚴(yán)格匹配與跟蹤,從而可確保此電路本身具有高性能特性。

2.2 減小電路射頻干擾

所有儀表放大器都會(huì)對(duì)帶外小信號(hào)進(jìn)行整流。這種干擾可能會(huì)表現(xiàn)為較小的直流電壓失調(diào)。高頻信號(hào)可以通過儀表放大器輸入端的低通RC網(wǎng)絡(luò)濾除,如圖3所示。濾波器根據(jù)以下下關(guān)系式對(duì)輸入信號(hào)加以限制,FilterFreq表示濾波器：

(2)

(3)

其中Cd≥10CC。Cd影響差動(dòng)信號(hào)。CC影響共模信號(hào)。R×CC的任何不匹配均會(huì)降低AD620的共模抑制比(CMRR)性能。為了避免無意中降低CMRR帶寬性能,需確保CC比Cd至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)。Cd:CC比值越大,不匹配CC的影響越小。

圖3 IDDT信號(hào)提取電路

2.3 軌到軌輸出能力的電路設(shè)計(jì)

目前流行的傳感器的輸出信號(hào)本身就位于供電電壓(或參考電壓)的中點(diǎn)附近。這一優(yōu)點(diǎn)為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和單電源供電提供了有利條件,并且使得儀表放大器的輸入自然地偏置到中點(diǎn)電壓。正由于這一原因,即使放大器的輸入端不等于地或者負(fù)電壓,也能實(shí)現(xiàn)較高的精度。

一個(gè)以供電電源中點(diǎn)電壓為參考的雙電源儀表放大器AD620和一個(gè)軌到軌型運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的輸出放大電路具有極高的直流精度。圖3為這種高性能電路的原理圖,它采用單5V電源供電。該電路采用AD620這種精密儀表放大器作為輸入級(jí),并接入一個(gè)結(jié)型場效應(yīng)晶體管輸入、軌到軌輸出型雙運(yùn)放AD822包括(A1、A2)作為輸出級(jí)。輸出級(jí)的增益固定為3,而總的增益由AD620的Rg決定。在該電路中R3、R4組成分壓器,將供電電源分為一半(2.5V),并可通過微調(diào)電位計(jì)P微調(diào)。該電壓經(jīng)電壓跟隨器A1緩沖和阻抗變換后,與AD620的參考電源管腳相接,以提供輸出參考電壓Vref。盡管整個(gè)電路是在單電源下工作,但是這一特性使放大器具備雙極性輸出能力,其中Vout以2.5V為參考(并非地)。AD822的另一部分被設(shè)計(jì)成增益3的反相器,從而使AD620輸出范圍只需達(dá)到±0.83V就能最終實(shí)現(xiàn)±2.5V的輸出范圍。而±0.83V完全在AD620的正常輸出范圍之內(nèi),從而保證放大器具有較好的線性度。該IDDT信號(hào)提取電路的增益表達(dá)式等于AD620電路的增益與反相放大器的增益之積：

(4)

例如,當(dāng)Rg=21.5(最接近標(biāo)準(zhǔn)值)時(shí),電路的總增益為10。表1總結(jié)了Rg取不同值、增益由10變化到1000時(shí)的性能變化情況。

表1 采用單5V供電的AD620/AD822復(fù)合型儀表放大器的性能總結(jié)

注：非線性是在全輸出范圍(0.1V

在該應(yīng)用中,為了確保電路的線性度,AD620兩個(gè)輸入端的輸入電壓必須位于2V～3.5V。例如當(dāng)電路的總增益等于10時(shí),共模輸入電壓范圍是2.25V～3.25V,此時(shí)能夠?qū)M幅為±0.25的差分輸入信號(hào)放大至輸出的±2.5。

其中的反相電路用于緩沖輸出,以便根據(jù)A2反饋求和點(diǎn)處的流入總電流調(diào)整系統(tǒng)的輸出失調(diào)電壓。該失調(diào)電流還可由外部或者參考電壓源接電阻來提供。

AD822組成的軌到軌輸出級(jí)具有極為干凈的傳輸特性,并且當(dāng)增益大于300時(shí)其小信號(hào)帶寬可超過100kHz。此外,它還在Vout的變化范圍0.1V～4.9V內(nèi)保持極佳的線性度。為減小噪聲的影響,為了減小噪聲影響可以在A2的反饋電阻上并接一個(gè)濾波電容以限制電路的帶寬至感興趣的頻段。該電容與R2組成了一節(jié)低通濾波器。在實(shí)際制作電路時(shí)該電容應(yīng)選用高品質(zhì)薄膜型或者聚丙烯型,本文沒有使用電容。

3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

被測電路用Sallen-key濾波器,圖4是它的電路圖。

圖4 Sallen-key濾波器電路

Sallen-key濾波器是帶通濾波器,中心頻率是25kHz,各元器件的標(biāo)稱參數(shù)值示于圖4中。測試時(shí)利用幅值為±10V、頻率為25kHz的三角波作為輸入激勵(lì)信號(hào),因?yàn)樵谠撊遣ㄐ盘?hào)激勵(lì)下,電路中的元器件處于過渡狀態(tài),元器件的故障更能在響應(yīng)信號(hào)中反映出來。測試時(shí)在濾波器電源正端與LM741串接阻值為10Ω的電阻RT,被測電路在激勵(lì)信號(hào)作用下在RT上產(chǎn)生的瞬態(tài)輸出電壓響應(yīng)信號(hào),作為IDDT信號(hào)提取電路測試依據(jù),瞬態(tài)電流信號(hào)等于瞬態(tài)輸出電壓除以阻值10。

仿真實(shí)驗(yàn)用OrCAD/Pspice16.6高性能電路仿真軟件,模擬仿真得到設(shè)計(jì)電路的輸出波形即為被測電路在激勵(lì)下IDDT波形,通過比較分析正常狀態(tài)下的被測電路IDDT波形圖與故障狀態(tài)下被測電路的IDDT波形圖可以區(qū)分出電路是否處于故障狀態(tài)。

測試時(shí)將信號(hào)提取電路左側(cè)兩個(gè)輸入端V-,V+(見圖3)并聯(lián)到被測電路RT兩端,在被測電路無故障狀態(tài),在輸入端輸入指定的激勵(lì)信號(hào)。仿真測試得到設(shè)計(jì)電路的輸出端波形,這個(gè)波形就是被測電路無故障狀態(tài)下的瞬態(tài)電壓波形,也即轉(zhuǎn)換后得到的電流波形,如圖5所示。

在Sallen-key濾波器故障類型選取方面,硬故障包括所有電阻電容的開路和短路故障,軟故障則只考慮對(duì)電路性能影響較大的元器件。運(yùn)放LM741是集成電路,可靠性較高不容易出現(xiàn)故障。對(duì)電路性能影響較大的可以利用OrCAD仿真軟件進(jìn)行靈敏度分析得到,對(duì)Sallen-key濾波器性能影響較大的是R1、R4、C1、C2(見圖4)。這樣該電路所有故障類型可歸納為表2所示。

表2 濾波器故障模式類型

通過對(duì)被測濾波器電路中R1注入斷路、短路以及阻值變?yōu)檎Ｇ闆r下的一半和兩倍四種情況,用IDDT信號(hào)提取電路仿真測取濾波器電路IDDT波形。首先被測電路故障仿真選擇電阻R1斷路的故障模式。具體方法是在R1所在支路上串聯(lián)一個(gè)500kΩ電阻用于實(shí)現(xiàn)R1斷路。使用上文無故障模式下相同的激勵(lì)信號(hào)輸入被測電路,得到該故障模式下的瞬態(tài)電流波形如圖6中紅色波形所示,綠色波形代表正常狀態(tài)下濾波器的IDDT波形。

圖5 無故障狀態(tài)下被測濾波器IDDT波形圖

圖6 R1開路與正常情況下濾波器IDDT波形圖

第二個(gè)故障模式是在R1上并聯(lián)10Ω電阻用于模擬R1短路故障,同樣得到RT兩端的瞬態(tài)電流波形如圖7中紅色波形所示,綠色波形代表正常狀態(tài)下濾波器的IDDT波形。

圖7 R1短路與正常情況下濾波器IDDT波形圖

第三步模擬R1軟故障,電阻下降到原來一半情況,即R1=1kΩ時(shí),RT瞬態(tài)電流仿真波形如圖8中紅色波形所示,綠色波形代表正常狀態(tài)下濾波器的IDDT波形。

圖8 R1=1kΩ與正常情況下濾波器IDDT波形圖

R1阻值變?yōu)樵瓉韮杀稌r(shí)的IDDT波形如圖9中紅色波形所示,綠色波形代表正常狀態(tài)下濾波器的IDDT波形。

圖9 R1=4kΩ與正常情況下濾波器IDDT波形圖

4 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)無故障Sallen-key濾波器電路以及R1開路、短路、阻值增大、減小這五種狀態(tài)電路的輸入端注入幅值為±10V、頻率為25kHz的三角波作為輸入激勵(lì)信號(hào),使濾波器電路的電源供電線路產(chǎn)生瞬態(tài)電流。并通過本文設(shè)計(jì)的高性能IDDT信號(hào)提取電路捕捉到了1.00ms～1.40ms間電路狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)取10個(gè)波形周期相應(yīng)的瞬態(tài)波形圖,如圖6～9中紅色波形所示。從IDDT傳感器捕捉到的瞬態(tài)電源電流波形中可以清晰直觀看到400us的高速電流跳動(dòng),如此短的時(shí)間包含了更多的電路狀態(tài)信息。比較圖6中兩個(gè)波形很容易看到R1斷路和正常狀態(tài)下IDDT波形有明顯的差異。同樣在圖7～9中通過比較紅色與綠色波形很容易發(fā)現(xiàn)出故障狀態(tài)與正常情況下濾波器的波形圖存在顯著的差別。

分析正常狀態(tài)下與設(shè)定R1各種軟硬故障模式下仿真得到的IDDT波形,容易看出R1故障模式與正常工作時(shí)存在顯著的差異,足以分辨出濾波器電路中R是否存在故障。進(jìn)一步分析四種故障狀態(tài)下的波形圖6～9也足以分辨出R1在不同故障類型下的IDDT波形存在顯著的差別。

5 結(jié)語

仿真結(jié)果證明,本文設(shè)計(jì)的IDDT信號(hào)提取電路能夠區(qū)分故障類型的減少射頻的干擾實(shí)現(xiàn)高精度電源瞬態(tài)電流測試,并能得到理想波形圖。從仿真結(jié)果可以清晰地看出故障模式與正常情況下工作時(shí)IDDT波形存在顯著差異。后續(xù)可用類似的仿真方法得到被測電路其他元器件出現(xiàn)故障時(shí)的IDDT波形,并運(yùn)用合適的算法歸納出電路中不同元器件出現(xiàn)故障時(shí)的波形特點(diǎn),則可最終運(yùn)用IDDT波形進(jìn)行被測電路的故障定位。

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Design and Simulation Verification of A High-precision Power Supply Transient Current Signal Extraction Circuit

ZHANG Ke1HE Guo2ZHANG Chaojie1

(1. College of Power Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. School of Management Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Power supply transient current test (IDDT) is a new supplementary means of traditional circuit test methods with great significance. Since the power supply transient current signal itself has the characteristics of high-speed, short-lived and susceptible to noise, etc., making it difficult to capture IDDT signal. A three-op-amp instrumentation amp is proposed as the main structure which can overcome RF interference while having rail to rail output capability, high-performance off-chip IDDT current sensor. With Pspice simulation to capture the dynamic supply current waveform Sallen-key filter circuit 50μs simulation results show that the design of the sensor circuit can effectively read IDDT waveform under different failure modes, enabling power supply transient current test.

power supply transient current, sensor, failure mode, signal waveform

TN402

2016年9月8日,

2016年10月26日

國家自然科學(xué)基金青年基金《基于動(dòng)態(tài)電源電流的艦船動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)模擬電路故障診斷》(編號(hào)：5150090320)資助。作者簡介:張克,男,碩士研究生,研究方向:艦船動(dòng)力裝置自動(dòng)化與仿真技術(shù)。賀國,男,博士,教授,研究方向:艦船動(dòng)力裝置自動(dòng)化與仿真技術(shù)。張超杰,男,博士,講師,研究方向:艦船動(dòng)力裝置自動(dòng)化與仿真技術(shù)。

TN402

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.026