反激式開關(guān)電源電應(yīng)力測試方法

任繼棟，徐冬明

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江寧波 315040；3.寧波舜宇模具股份有限公司，浙江寧波 315400)

0 引言

開關(guān)電源目前已廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活和工作中，包括工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、LED照明行業(yè)、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、液晶顯示器和電腦機(jī)箱等[1]。開關(guān)電源可以是直流轉(zhuǎn)直流 (DC-DC)轉(zhuǎn)換也可以是交流轉(zhuǎn)直流 (ACDC)轉(zhuǎn)換，按不同的拓?fù)溆挚煞譃榉醇な介_關(guān)電源、正激式開關(guān)電源和半橋諧振等[2]。本文主要介紹反激式開關(guān)電源的電應(yīng)力測試方法，它通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷，將初級(jí)能量通過變壓器傳遞給次級(jí)，最終將市電轉(zhuǎn)化為恒定的直流量。

1 測試設(shè)備

對開關(guān)電源進(jìn)行電應(yīng)力測試前，我們需要準(zhǔn)備一套測試系統(tǒng)，其應(yīng)該由如下設(shè)備組成：變頻電源、功率計(jì)、隔離變壓器、示波器及其套件、電子負(fù)載和模擬負(fù)載等。為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測試人員必須充分地了解測試設(shè)備的基本參數(shù)，尤其是示波器參數(shù)。為了保證測試波形不失真，這里首先簡要地介紹幾個(gè)示波器最重要的參數(shù)[3]。

a)帶寬

示波器前端放大器的幅頻特性曲線的截止頻率點(diǎn)，也就是示波器測得正弦波的幅度不低于真實(shí)正弦波3 dB的幅度時(shí)的最高頻率。帶寬的限制對信號(hào)的捕獲會(huì)帶來如下的影響：

1)使被測信號(hào)的上升沿變緩；

2)使信號(hào)的高頻分量減少；

3)使信號(hào)的相位失真。

b)采樣率

數(shù)字示波器的本質(zhì)就是對連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散化的采樣過程，將原始信號(hào)的電壓按等時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為一系列的電平，這些電平代表的信號(hào)被離散為一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，這個(gè)過程被稱為采樣。數(shù)字示波器是等時(shí)間間隔采樣的，采樣電壓之間的時(shí)間間隔越小，那么重建出來的波形就越接近于原始信號(hào)。采樣率即表示每秒鐘采樣的點(diǎn)數(shù)。

c)存儲(chǔ)深度

存儲(chǔ)深度表示示波器采集存儲(chǔ)器的容量，即可以保存的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。示波器使用中的一個(gè)非常重要的關(guān)系式是：存儲(chǔ)深度=采樣率×采樣時(shí)間。存儲(chǔ)深度越大，表明在任何給定時(shí)間條件下的采樣率都會(huì)越高，在相同的采樣率下可以捕獲更長時(shí)間的波形。示波器的菜單中只能夠固定存儲(chǔ)深度，當(dāng)捕獲的采樣時(shí)間乘以當(dāng)前采樣率的結(jié)果超過了最大存儲(chǔ)深度時(shí)，采樣率將隨著時(shí)基 (采樣時(shí)間)的繼續(xù)增加而逐漸地減小，當(dāng)捕獲到一定長度的時(shí)間時(shí)，采樣率會(huì)自動(dòng)地降低而導(dǎo)致波形失真。

2 元器件電應(yīng)力測試選型

為了明確元器件電應(yīng)力測試的類型，根據(jù)器件在開關(guān)電源網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用及其重要性、器件在工作中承受的電應(yīng)力相對數(shù)量級(jí)，對元器件進(jìn)行劃分。核心類元器件包括：主MOS管、輸出電解、次級(jí)整流二極管、PFC模塊 (PFC輸出電解、PFC輸出二極管和PFC_MOS管)、同步整流模塊(MOS管)、DC-DC模塊 (MOS管)和諧振電容。Ⅰ類元器件包括：變壓器、PFC電感、啟動(dòng)電阻和取樣電阻。Ⅱ類元器件包括：光耦、電感、集成電路IC、三極管、貼片電容、RCD吸收回路、輸入整流濾波電路和輔助繞組回路。

3 測試方法

為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少因引線帶入寄生電容、阻抗和感抗等誤差，應(yīng)盡量地采用割PCB走線再引線的方式進(jìn)行測試。對于那些由兩個(gè)及以上的相同型號(hào)的元器件組成的整流電路，或者濾波電路，需同時(shí)取下引線來進(jìn)行測試，如果出現(xiàn)耐壓超限的情況，則需去掉引線后復(fù)測。

在實(shí)際的樣品測試過程中，需要考慮到樣品的輸入電壓、工作狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)。選取的輸入電壓如下：額定電壓下限的90%(Umin)，額定電壓上限的110%(Umax)；選取的負(fù)載狀態(tài)如下：滿載(F)、空載 (N)和短路 (S)；選取的工作狀態(tài)如下：開機(jī) (ON)、關(guān)機(jī) (OFF)，滿載切換至空載(F-N)、空載切換至滿載 (N-F)和滿載切換至短路 (F-S)、短路切換至滿載 (S-F)。

示波器測試探頭的使用原則如下[4]：1)盡量地使用差分探頭來測試高壓信號(hào)；2)在使用無源探頭時(shí)應(yīng)避免 “共地”現(xiàn)象的發(fā)生，否則容易導(dǎo)致炸機(jī)，并損壞示波器；3)電流探頭使用前必須校準(zhǔn)、消磁。

4 測試項(xiàng)目

下面將對幾個(gè)重要的損耗型元器件的測試方法進(jìn)行概述。

4.1 場效應(yīng)管電應(yīng)力測試

場效應(yīng)管(MOS管)是一種電壓控制的半導(dǎo)體器件，即管子的電流受控于柵極電壓。由芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷，將變壓器初級(jí)能量傳遞到次級(jí)。在對MOS管進(jìn)行電應(yīng)力測試的過程中，需要考量的參數(shù)有柵極電壓Vgs的最大值、漏極電壓Vds的最大值和通過漏極的電流Id的最大值。Vgs、Vds采用電壓探頭檢測，Id采用電流探頭檢測。在Umin和Umax下，根據(jù)不同的負(fù)載狀態(tài)，記錄下測試數(shù)據(jù)和測試波形，形成測試表格。MOS管工作波形示例如圖1所示。

圖1 MOS管工作波形示例

4.2 二極管電應(yīng)力測試

二極管具有明顯的單向?qū)щ娦?。在對二極管的電應(yīng)力測試過程中，需要考量的參數(shù)有反向電壓的最大值 (Vmax)、有效值 (Vrms)，正向?qū)娏鞯淖畲笾?(Imax)、平均值 (Iav)。其中，正向?qū)娏鞯淖畲笾等∑骄档膬杀?。在Umin和Umax下，根據(jù)不同的負(fù)載狀態(tài)，記錄下測試數(shù)據(jù)和測試波形，形成測試表格。二極管工作波形示例如圖2所示。

4.3 鋁電解電容電應(yīng)力測試

電解電容器主要應(yīng)用在輸入輸出整流濾波電路中，其主要的作用為平滑后級(jí)電壓，吸收來自于整流輸出的紋波電流。在對鋁電解電容進(jìn)行電應(yīng)力測試的過程中，需要考量的參數(shù)有電解兩端電壓的最大值 (Vmax)，電解上電流的有效值 (Irms)。需要引起注意的是，對于多個(gè)電解并聯(lián)的情況，測試時(shí)應(yīng)整體對其進(jìn)行測試。在Umin和Umax下，根據(jù)不同的負(fù)載狀態(tài)，記錄下測試數(shù)據(jù)和測試波形，形成測試表格。鋁電解電路工作波形示例如圖3所示。

4.4 變壓器電應(yīng)力測試

變壓器就是電磁互感器，是變換電壓、電流和阻抗的元器件。變壓器電應(yīng)力測試中，需要測試的數(shù)據(jù)有：輔助繞組電壓的最大值與最小值、原邊電流的最大值與有效值、次級(jí)電流的最大值與有效值。需要通過電流值對電流密度、磁通密度進(jìn)行計(jì)算。其中，電流密度=流過繞線的電流值/繞線截面積。磁通密度計(jì)算公式如下：

式(1)中：Bm——磁通密度，一般要求小于0.32 T，超過即可認(rèn)為磁通飽和；

L——電感量；

I——原邊工作電流的最大值；

N——原邊繞組匝數(shù)；

Ae——磁芯面積。

圖2 二極管工作波形示例

圖3 鋁電解電容工作波形示例

5 判定標(biāo)準(zhǔn)

測試數(shù)據(jù)首先必須滿足各類型器件規(guī)格書的要求，對于產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境較惡劣的，還應(yīng)考慮對元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品長期運(yùn)行的可靠性。這里推薦參照GJB/Z 35-93《元器件降額準(zhǔn)則》，里面詳細(xì)地規(guī)定了各種類型的元器件在不同的應(yīng)用參照情況下應(yīng)降額的參數(shù)與量值，同時(shí)也提供了若干與降額使用有關(guān)的應(yīng)用指南[5]。

6 結(jié)束語

本文提供了一種利用示波器進(jìn)行 “白盒測試”的試驗(yàn)方法，通過此方法可以對開關(guān)電源內(nèi)部各類型元器件的工作電壓和電流波形進(jìn)行 “精確捕捉”，從而確保產(chǎn)品器件選用的合理性，提升產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計(jì)前期的可靠性，降低產(chǎn)品在后道測試階段所暴露的問題。