熔斷器的可靠性測(cè)試電源的實(shí)驗(yàn)研究

， ，，，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 浙江 杭州 310023;2.杭州高聯(lián)電子科技有限公司 浙江 杭州 310030)

熔斷器作為電力系統(tǒng)重要保護(hù)設(shè)備廣泛應(yīng)用于變電站、軌道交通等電力系統(tǒng)以及航天、船艦等工業(yè)系統(tǒng).由于使用熔斷器的場(chǎng)所對(duì)安全隱患的極高要求，其可靠性測(cè)試非常嚴(yán)格[1-3].熔斷器數(shù)千次的通電/關(guān)斷電老化測(cè)試作為其可靠性最主要的性能受到各使用單位的重視，其電老化測(cè)試主要包括兩種，恒流老化和恒壓老化，其中恒流老化更符合其工作特性，而恒壓老化作為輔助測(cè)試手段也得到應(yīng)用[4-6].熔斷器電老化測(cè)試電源要求性能穩(wěn)定，具有高精度的穩(wěn)壓、恒流功能，且通電、關(guān)斷以及工作時(shí)輸出無(wú)過(guò)沖.

目前，國(guó)內(nèi)熔斷器電老化測(cè)試電源大多采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)恒流功能，通過(guò)改變相應(yīng)電位器阻值實(shí)現(xiàn)不同電流值的恒定[7].西安理工大學(xué)的皇金峰對(duì)各類開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行數(shù)學(xué)建模以及軟件仿真，分析了開(kāi)關(guān)電源硬件穩(wěn)壓功能中超調(diào)量和相位裕量與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，得出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)合理的開(kāi)關(guān)電源在輸入電壓信號(hào)固定時(shí)具有硬件穩(wěn)壓及防過(guò)沖能力的結(jié)論[8].華南理工大學(xué)的張冬梅、楊蘋等通過(guò)數(shù)學(xué)建模以及軟件仿真的方式分析了雙閉環(huán)控制穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的恒流能力以及抗外界擾動(dòng)能力[9-12].他們的研究驗(yàn)證了在輸入電壓固定或者輸入范圍較小的情況下開(kāi)關(guān)電源的防過(guò)沖能力與抗擾動(dòng)能力.國(guó)內(nèi)的電壓/電流輸出恒定的老化電源，存在以下問(wèn)題：1) 在整個(gè)輸出范圍內(nèi)，啟動(dòng)電源到給定輸出值以及電源系統(tǒng)突然斷電時(shí)，電源電壓輸出有過(guò)沖，而大的過(guò)沖會(huì)破壞熔斷器，影響產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果；2) 電源恒流恒壓參數(shù)操作一般通過(guò)電位器改變，需要手工調(diào)整；3) 負(fù)載調(diào)整率低，輸出電流在全量程測(cè)量范圍內(nèi)線性度差.因此，針對(duì)熔斷器可靠性測(cè)試要求，研制了一套以上位機(jī)參數(shù)設(shè)定，STM32F103RCT6[13]與SG3525協(xié)同控制的雙閉環(huán)的電老化測(cè)試電源系統(tǒng)[14-16].電源規(guī)格為最大輸出電壓20 V，最大輸出電流30 A，開(kāi)機(jī)升壓、關(guān)機(jī)無(wú)過(guò)沖，主機(jī)一對(duì)多通訊，上位機(jī)設(shè)定參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源工作狀態(tài)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄輸出電壓與電流，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性，熔斷器熔斷時(shí)自動(dòng)升到設(shè)定的額定電壓，輸出精度及線性度更高，滿刻度5%以上到全量程范圍輸出波動(dòng)小于±1%.

1 硬件設(shè)計(jì)與改進(jìn)

硬件系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，SG3525控制全橋開(kāi)關(guān)電源及其反饋回路；以STM32為核心的控制與顯示電路，與上位機(jī)的RS485總線通信電路.

1.1 全橋DC/DC變換器主電路設(shè)計(jì)

圖1為穩(wěn)壓恒流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖1中VT1，VT2，VT3，VT4構(gòu)成的全橋PWM變換器將輸入的直流電壓Ui變成KUi(K為高頻變壓器副邊與原邊的比)的方波電壓，此方波電壓經(jīng)后續(xù)LC電路整流成平滑直流電壓，供給負(fù)載電阻Ro，其中VT1，VT2，VT3，VT4開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)間由以SG3525為核心控制芯片的雙閉環(huán)控制電路系統(tǒng)控制，SG3525的輸出占空比決定了電路輸出電壓的大小.在電流采樣放大電路加入調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，可以控制恒流值，在電壓采樣回路中加入調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，可以改變輸出電壓.國(guó)內(nèi)很多廠家就是在這個(gè)環(huán)節(jié)加入一個(gè)電壓比較電路，用0～5 V直流電壓對(duì)應(yīng)設(shè)定全量程的輸出值，可惜這種方法屬于開(kāi)環(huán)設(shè)定，即使加入非線性矯正，全量程的線性度也不好，不能滿足全量程范圍輸出值與設(shè)定值小于±1%要求.

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of power supply system

1.2 反饋回路的改進(jìn)設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源輸出回路中，加入A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，用AD7902轉(zhuǎn)換的值作為最終值.由上位機(jī)決定由PC機(jī)送參數(shù)還是按鍵設(shè)定.如果由按鍵輸入?yún)?shù)，控制芯片在液晶屏上顯示參數(shù)(主要為電壓電流預(yù)定值、開(kāi)關(guān)循環(huán)次數(shù)以及一次循環(huán)的開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間等)，ARM芯片將參數(shù)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8830轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)輸出電壓的模擬電壓(這點(diǎn)與上節(jié)述說(shuō)的相同)，控制開(kāi)關(guān)電源輸出，然后輸出信號(hào)經(jīng)采樣，由AD7902芯片送回主控芯片STM32，STM32依據(jù)接收到的采樣值作出設(shè)置值微調(diào)，構(gòu)成反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，與SG3525協(xié)同控制的雙閉環(huán)，大大提高控制精度，特別是全量程可以實(shí)現(xiàn)輸出值與設(shè)定值小于±1%要求.

圖2 軟件控制原理框圖Fig.2 Diagram of software control

1.3 A/D芯片選擇

A/D芯片的采樣值反映了實(shí)際輸出值的大小，是STM32控制電路輸出控制調(diào)整值的依據(jù)，A/D芯片的精度決定電源的控制精度，從理論上來(lái)說(shuō)，±1%的精度要求，10位A/D可以滿足要求，實(shí)際上考慮到一些干擾，需要更高一些，所以選用AD7902的2通道16位A/D，分別測(cè)量電流與電壓參數(shù).對(duì)AD7902芯片做一個(gè)全量程的測(cè)定，采用安捷倫的直流電源作為標(biāo)準(zhǔn)參考電壓輸入U(xiǎn)i，F(xiàn)LUKE公司生產(chǎn)的五位半精度萬(wàn)用表作為輸入電壓測(cè)量?jī)x表，并在軟件中讀取AD7902芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換值，記錄了從0.5～5 V的隨機(jī)7 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)在10 min內(nèi)每分鐘測(cè)1 次，得到如表1所示的數(shù)據(jù).表1中：最大值、最小值分別為10 次讀數(shù)中最大值與最小值；平均值為10 次讀數(shù)的平均；最大偏差、線性偏差計(jì)算式分別為

(1)

(2)

式中：Vref為A/D芯片的參考電壓，取值5 V；65 535 為16 位A/D與D/A芯片最大輸出和最大采樣時(shí)的值.

表1 AD7902芯片測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of AD7902

由表1數(shù)據(jù)可得：AD7902芯片每單點(diǎn)測(cè)試的增益誤差最大不超過(guò)0.57%，微分非線性最大為0.80%，符合電源對(duì)1%精度的要求.

1.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì)

由于熔斷器電老化測(cè)試數(shù)量大，周期長(zhǎng)，為了節(jié)省人工成本，設(shè)計(jì)的老化電源加入了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)采用RS485總線實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與多路電源一對(duì)多的主從機(jī)長(zhǎng)距離通訊.以MAX487作為電平轉(zhuǎn)換芯片的串行通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示.

圖3 串行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Serial network structure

PC機(jī)主要功能參數(shù)設(shè)定，呼叫已進(jìn)行地址編號(hào)的電源，接收呼叫電源發(fā)送到主機(jī)的電源工作信息并記錄；從機(jī)電源主要按PC機(jī)要求進(jìn)行工作，并將測(cè)得信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī).如果沒(méi)有主機(jī)時(shí)，電源也可以獨(dú)立工作.

1.5 防過(guò)沖設(shè)計(jì)

熔斷器的電老化試驗(yàn)主要是數(shù)千次的開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)試驗(yàn).開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)產(chǎn)生的過(guò)沖能量可能會(huì)引起熔斷器失效，影響熔斷器產(chǎn)品失效分析結(jié)果.所以，電源試驗(yàn)進(jìn)行中，開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)都不能產(chǎn)生過(guò)沖脈沖.電源過(guò)沖脈沖主要有兩種，一種是電源剛啟動(dòng)時(shí)的過(guò)沖，另一種是電源在關(guān)斷時(shí)的過(guò)沖.

實(shí)際應(yīng)用中，電源規(guī)格多種多樣，輸出范圍很廣，由于硬件線路頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的影響，傳統(tǒng)電源一步到位式升壓方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源全范圍輸出無(wú)過(guò)沖的要求.設(shè)計(jì)以電源設(shè)置參數(shù)的±1%作為步進(jìn)，勻速完成電源升壓過(guò)程，防止電源啟動(dòng)時(shí)過(guò)沖.

循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)軟件設(shè)定電源電壓和電流輸出為零來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的關(guān)斷.設(shè)定輸出的順序非常重要，實(shí)測(cè)結(jié)果表明：必須首先設(shè)定輸出電壓為零，再設(shè)定輸出電流為零，這樣可以實(shí)現(xiàn)無(wú)下過(guò)沖.若先關(guān)閉電流，再關(guān)閉電壓，或同時(shí)關(guān)閉，會(huì)產(chǎn)生下過(guò)沖.還有一種情況就是在試驗(yàn)過(guò)程中的意外，由于可靠性實(shí)驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)，有的可能達(dá)到10 000 h，這么長(zhǎng)時(shí)間，萬(wàn)一有意外斷電，就會(huì)出現(xiàn)下過(guò)沖.設(shè)計(jì)利用STM32的快速響應(yīng)能力，檢測(cè)交流電供給的直流電源，當(dāng)?shù)陀谀骋浑妷?，表明外部交流電斷電，立即主?dòng)關(guān)斷電源，防止斷電過(guò)沖的出現(xiàn)，并留下信息，在用戶再次開(kāi)機(jī)時(shí)，可以選擇繼續(xù)或中斷實(shí)驗(yàn).

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 電源精度測(cè)試

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)熔斷器電老化測(cè)試電源存在的缺陷，提出了通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)STM32F103RCT6與SG2535協(xié)同控制的雙閉環(huán)的控制，硬件電路輸出電壓、電流值，并通過(guò)軟件微調(diào)控，使得熔斷器可靠性測(cè)試電源在測(cè)量的全量程范圍之內(nèi)精度達(dá)到±1%.對(duì)于所設(shè)計(jì)的規(guī)格為20 V，30 A的電源，通過(guò)電源空載形式測(cè)試電壓精度；帶電子負(fù)載(以電阻形式)監(jiān)測(cè)電流精度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2，3所示.

表2 電壓精度測(cè)試Table 2 Test of voltage precision

表3 電流精度測(cè)試Table 3 Test of current precision

對(duì)表2，3中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：電源在全測(cè)量精度范圍之內(nèi)都達(dá)到了±1%的要求.

通過(guò)外接電子負(fù)載的方式驗(yàn)證電源恒流特性，當(dāng)電源處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，突然改變電子負(fù)載電阻值大小，電源能很快適應(yīng)電阻的變化，穩(wěn)定住電壓/電流.

2.2 電源過(guò)沖測(cè)試

如圖4所示，在以電源設(shè)置電壓1%步進(jìn)升壓方式下，電源啟動(dòng)時(shí)將不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖，而步進(jìn)時(shí)間間隔為微秒級(jí)別，不會(huì)導(dǎo)致電源升壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響電源正常使用.通過(guò)示波器連接電源輸出端，觀察電源在開(kāi)通過(guò)程中的過(guò)沖測(cè)試，電源開(kāi)通無(wú)過(guò)沖.

圖4 電源開(kāi)通升壓無(wú)過(guò)沖Fig.4 Turn on the power without overshoot

如圖5所示，通過(guò)斷開(kāi)試驗(yàn)電源外部供電，以模擬穩(wěn)壓/恒流電源在工作模式下突然關(guān)機(jī)，用示波器觀察電源輸出電壓，電源輸出電壓無(wú)過(guò)沖.

圖5 電源關(guān)斷時(shí)輸出無(wú)過(guò)沖Fig.5 Power off without overshoot

對(duì)圖4，5電源開(kāi)機(jī)、關(guān)斷狀態(tài)下的輸出電壓捕捉分析可知：經(jīng)多次觀察，電源在開(kāi)機(jī)、關(guān)斷情況下都無(wú)過(guò)沖，滿足熔斷器可靠性試驗(yàn)對(duì)電源無(wú)過(guò)沖的要求.

3 結(jié) 論

早期程控開(kāi)關(guān)電源開(kāi)路設(shè)定控制輸出電壓，線性范圍比較窄；皇金峰的工作僅僅在一定的條件下可以不出現(xiàn)開(kāi)關(guān)機(jī)的過(guò)沖.而由于熔斷器規(guī)格眾多，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電源規(guī)格也很多，20 V，30 A的電源僅僅是其中的一個(gè)規(guī)格，每個(gè)規(guī)格都有自己的全動(dòng)態(tài)范圍.因此使用環(huán)境復(fù)雜，研制的基于全橋DC/DC變換器，以STM32F103RCT6與SG3525為主控芯片的雙閉環(huán)控制電源設(shè)備，可以恒定電流也可以恒定電壓，負(fù)載變化時(shí)電源自動(dòng)調(diào)整速度快，利用AD7902芯片解決全動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)定值與達(dá)到輸出值±1%的誤差要求.軟件與硬件結(jié)合，解決開(kāi)關(guān)機(jī)的過(guò)沖問(wèn)題，STM32F103RCT6檢測(cè)交流電源，利用中斷防止意外斷電過(guò)沖，并在開(kāi)機(jī)時(shí)由用戶選擇試驗(yàn)進(jìn)程.折中選擇電流采樣電阻，即大電流的功耗與熱穩(wěn)定以及小電流的精度，實(shí)現(xiàn)電源在滿刻度5%以上的全量程范圍內(nèi)設(shè)定值與輸出值達(dá)到±1%要求.由PC機(jī)人機(jī)交互界面完成遠(yuǎn)程設(shè)定參數(shù)與過(guò)程監(jiān)控功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控并提供電源工作記錄，大大節(jié)約人力成本，系統(tǒng)已通過(guò)485總線實(shí)現(xiàn)40 臺(tái)電源控制監(jiān)控.產(chǎn)品經(jīng)工業(yè)與信息化部第五研究所檢驗(yàn)合格，現(xiàn)已由貴陽(yáng)某大型國(guó)企投入使用.

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