基于Lab VIEW的DC/DC變換器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

卜明磊

摘? 要：目前，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)計(jì)并投入使用的DC/DC變換器工作量與日俱增，當(dāng)檢驗(yàn)工作增多的情況下，可能會(huì)因?yàn)椴僮魇д`而產(chǎn)生誤差。在這一發(fā)展背景下，文章設(shè)計(jì)了基于Lab VIEW的DC/DC變換器測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行了分析，希望可以為這一領(lǐng)域的發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng);DC/DC變換器;浪涌電流

中圖分類號(hào)：TM46? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0098-02

Abstract： At present， the workload of DC/DC converter designed and put into use for laboratory environment is increasing day by day： when the inspection work increases， it may cause errors due to operational errors. Under this development background， this paper designs the DC/DC converter test system based on Lab VIEW， and analyzes its practical application case， hoping to provide some reference for the development of this field.

Keywords： test system; DC/DC converter; surge current

DC/DC變換器使用模塊組件電池電源模式，所以其可靠性高并且系統(tǒng)升級(jí)簡(jiǎn)單，在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但是在高頻軟件開發(fā)和封裝技術(shù)持續(xù)升級(jí)的情況下，DC/DC變換器工作壓力不斷加大，自主設(shè)計(jì)研發(fā)出兼具通用性與擴(kuò)展性的DC/DC變換器測(cè)試系統(tǒng)提升設(shè)備運(yùn)行效率十分必要。

1 DC/DC變換器參數(shù)介紹與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 參數(shù)介紹

1.1.1 輸出電壓與輸入電流。輸出電壓和輸入電流分別指的是DC/DC變換器輸出端的額定輸出電壓值和額定輸入電流值。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試中，測(cè)試參數(shù)的指標(biāo)體現(xiàn)在輸出電壓的精準(zhǔn)度方面，且當(dāng)其與標(biāo)準(zhǔn)值越接近的情況下，系統(tǒng)整體性越好，一般來(lái)說(shuō)，DC/DC變換器的輸出電壓和輸入電流精度為1%[1]。

1.1.2 調(diào)整率。DC/DC變換器的調(diào)整率主要指的是線性調(diào)整率，線性調(diào)整率還可以被稱為電壓調(diào)整率，能直接反映DC/DC變換器在不同輸入電壓條件下的輸出穩(wěn)定性。當(dāng)線性調(diào)整率的參數(shù)縮小時(shí)，說(shuō)明變換器的輸出能力得到增強(qiáng)，性能得以優(yōu)化。調(diào)整率參數(shù)是靜態(tài)參數(shù)，表示輸入穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出為特定負(fù)載，不同輸入電壓下產(chǎn)生輸出電壓的一致性。

1.1.3 暫態(tài)響應(yīng)。暫態(tài)響應(yīng)是系統(tǒng)在負(fù)載變化速度過(guò)快的情況下，DC/DC變換器對(duì)負(fù)載電流出現(xiàn)突變時(shí)的應(yīng)變能力，暫態(tài)響應(yīng)直接反映出了DC/DC變換器對(duì)于負(fù)載階躍變化的響應(yīng)程度，可以得出DC/DC變換器在保持穩(wěn)定狀態(tài)下出現(xiàn)的輸出過(guò)沖與連續(xù)振蕩。暫態(tài)響應(yīng)可以被視為是過(guò)沖電壓恢復(fù)時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)，過(guò)沖電壓越小恢復(fù)時(shí)間越短，說(shuō)明了DC/DC變換器的響應(yīng)能力越好。

1.1.4 過(guò)電保護(hù)。DC/DC變換器過(guò)電保護(hù)是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的輸出電壓超出了額定電壓，設(shè)備的輸出系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入到自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)，以避免出現(xiàn)電路超額負(fù)載的情況的一種系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)模式。這種模式可以應(yīng)用到DC/DC變換器在遇到上述異常問(wèn)題時(shí)狀態(tài)的驗(yàn)證，例如，部分饋線或者元器件受到受損，系統(tǒng)內(nèi)的部分元件可能會(huì)產(chǎn)生異常輸出高電壓的情況，過(guò)電保護(hù)功能可以據(jù)此做出正確反應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓敏感負(fù)載管理。

1.1.5 輸出功能調(diào)節(jié)。輸出功能的調(diào)節(jié)主要指的是DC/DC變換器可以根據(jù)實(shí)際需求，完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，通過(guò)特定的外界電路，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓值的調(diào)整。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)整電壓可實(shí)現(xiàn)輸出電流值的調(diào)整。雖然國(guó)際上對(duì)這一方面的管理已經(jīng)形成了較為成熟規(guī)格體系，但是在具體應(yīng)用中，仍需要非常規(guī)格式的電源電壓，可調(diào)功能十分重要。

1.1.6 功率能耗。功率能耗是DC/DC變換器的重要參數(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要著重對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，DC/DC變換器的功率體現(xiàn)出了系統(tǒng)的負(fù)載能力，其效率直接反映DC/DC變換器功率的傳遞能力，即自身功率損耗能力。高效率是DC/DC變換器的運(yùn)行目標(biāo)，效率越高表示系統(tǒng)的損耗越小，其性能也更好。

1.1.7 浪涌電流。浪涌電流是DC/DC變換器開啟時(shí)產(chǎn)生的最大電流，變換器內(nèi)部有輸入和輸出兩個(gè)電容，負(fù)載端可能含有其他附加的電容，這些電容需要電流進(jìn)行充電，使其達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，這環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的電流即為浪涌電流。大的浪涌電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部臨近電路造成電磁干擾，甚至還會(huì)引起逆流電路斷路器跳閘，或者使用固態(tài)功率控制器過(guò)流保護(hù)失控。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

DC/DC變換器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要搭建符合多參數(shù)測(cè)試的系統(tǒng)框架，為了提高這一系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，要從整個(gè)測(cè)試過(guò)程著手，建立多個(gè)全局變量，以確保每個(gè)測(cè)試軟件程序應(yīng)用都更為合理，減少最終應(yīng)用建立器軟件測(cè)試文件編程時(shí)的工作量。通過(guò)軟件測(cè)試的方式，可以實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量的精度補(bǔ)償與誤差補(bǔ)償，建立更為靈活的測(cè)試進(jìn)程，滿足測(cè)試方法的要求，同時(shí)也能滿足器件級(jí)編程的需求，提高系統(tǒng)整體測(cè)試的靈活性與便捷程度，以通用的測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試方案的靈活篩選[2]。

2 基于Lab VIEW的DC/DC變換器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 設(shè)計(jì)原理

DC/DC變換器測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括了硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，其硬件部分設(shè)計(jì)主要是包括了DC/DC變換器、電子負(fù)載、可調(diào)式程序控制電源、信號(hào)采集電路、電流和電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要是基于測(cè)試平臺(tái)的虛擬軟件的應(yīng)用程序。測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體以虛擬儀器軟件作為核心，并對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行控制。主要的內(nèi)容包括了模擬電子負(fù)載控制、測(cè)試輸入電源控制、參數(shù)設(shè)計(jì)、流程控制與結(jié)果顯示與存儲(chǔ)。在測(cè)試中，使用虛擬儀器平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載與程控電源的直接控制，對(duì)DC/DC變換器的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下，DC/DC變換器電氣參數(shù)的控制[3]。

2.2 設(shè)計(jì)要求

將變換器設(shè)備作為一種電力變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電源轉(zhuǎn)換為電平狀態(tài)電流模式，以暫存調(diào)整與存儲(chǔ)的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能的存儲(chǔ)和調(diào)取。在這一環(huán)節(jié)中，變壓器、電感器均可以被視為是存儲(chǔ)元件，以占比控制的方式能完成電流與電壓的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，要確保精準(zhǔn)掌握設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)最終質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，并根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，判斷產(chǎn)品的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，DC/DC變換器的測(cè)試系統(tǒng)要滿足基本的輸出電壓精度、負(fù)載調(diào)整率、電源調(diào)整率、效率、短路、紋波與噪聲和過(guò)電保護(hù)的測(cè)試?？刂瞥炭仉娫磁c電子負(fù)載模擬器設(shè)備，要模擬DC/DC變換器在不同工作模式下的狀態(tài)，并對(duì)其輸入和輸出的電流與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)進(jìn)一步分析的方式，得出系統(tǒng)功率與參數(shù)等性能參數(shù)，從而達(dá)到測(cè)試的目的[4]。

2.3 設(shè)計(jì)方案

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)測(cè)試的精準(zhǔn)度，工作人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)中，要著重對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。特別是在硬件設(shè)備的選擇中，不僅要確保其可以滿足DC/DC變換器輸入和輸出的基本參數(shù)，同時(shí)還要盡可能保證硬件設(shè)備的精準(zhǔn)性，提高系統(tǒng)測(cè)試的精準(zhǔn)性與有效性。

（1）本次研究工作中，采用了安捷倫公司生產(chǎn)的直流電源與電子負(fù)載模塊，其中，直流電源有0.01%負(fù)載與電源調(diào)整率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即便當(dāng)電源與系統(tǒng)負(fù)載出現(xiàn)明顯波動(dòng)的情況下，系統(tǒng)仍舊能保持較高的穩(wěn)定性，輸出結(jié)果更為精準(zhǔn)。并且，這一模塊的常模電壓和共模電流的噪聲都處于較低的水平，測(cè)試結(jié)果不會(huì)受到電壓與電流噪聲的影響，精準(zhǔn)性有可靠保證。（2）可編程直流電源電子負(fù)載的模塊自帶GBIP接口，可以與虛擬儀器平臺(tái)直接相連。在操作前只需要在NI官網(wǎng)下載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，就可以在變成中調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)化控制。（3）數(shù)據(jù)采集卡選擇的是USB-1352A多功能數(shù)據(jù)采集卡，能為系統(tǒng)提供12-bit動(dòng)力，采樣的效率最高可以達(dá)到500ks/s，同時(shí)開啟的模擬信號(hào)采集通道可達(dá)16個(gè)，并能通過(guò)通道軟件選擇對(duì)應(yīng)的電壓量程。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要使用了測(cè)試平臺(tái)環(huán)境，采用圖形化編程語(yǔ)言，能實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試。在此次研究中，工作人員Lab環(huán)境下進(jìn)行了編譯，運(yùn)用其強(qiáng)大的圖形化界面，實(shí)現(xiàn)了軟件平臺(tái)的模塊劃分，根據(jù)不同的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，提高了整體測(cè)試的靈活性。

以電源調(diào)整率檢測(cè)模塊為例，在對(duì)這一軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)中，電源調(diào)整率的表征DC/DC變換器在受到外部環(huán)境的電壓變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)。軟件程序的檢測(cè)邏輯為：虛擬軟件平臺(tái)通過(guò)GPIB總線將電子負(fù)載設(shè)計(jì)為額定負(fù)載，首先，將程控電源輸出電壓設(shè)置的DC/DC變換器標(biāo)稱輸入電壓相等，測(cè)出DC/DC變換器的輸出電壓，即為V1。其次，將程控電源輸出的電壓設(shè)置成和DC/DC變換器輸入電壓上限值相等，測(cè)出DC/DC變換器輸出電壓為V2。最后，將程控電源輸出電壓值設(shè)置成與DC/DC變換器的輸入電壓值下限相等，測(cè)出其輸出結(jié)果為V3，將三個(gè)結(jié)果中的最大值記為V4，依據(jù)公式計(jì)算出電源調(diào)整率P：

2.4 測(cè)試實(shí)例

本次研究工作中，選擇的待測(cè)試的設(shè)備是由法國(guó)某公司生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)變換器設(shè)備，輸入電壓范圍在18V至45V之間，額定輸出的電流與電壓分別為4A和5V。

在進(jìn)行測(cè)試中為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)濾波，在研究中應(yīng)用了測(cè)試夾具的方式進(jìn)行驗(yàn)證，這種方法能夠?qū)⒃鞠到y(tǒng)內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)百年成為電子負(fù)載的模式，并按照既定的測(cè)試原理、結(jié)構(gòu)以及規(guī)范示意圖，可完成系統(tǒng)模塊的功能性測(cè)試，因?yàn)闇y(cè)試軟件本身并沒有數(shù)據(jù)庫(kù)直接訪問(wèn)的功能，所以在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試中，要應(yīng)用Lab VIEW當(dāng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，獲取測(cè)試所需要的各種數(shù)據(jù)。將復(fù)雜的底層數(shù)據(jù)庫(kù)操作進(jìn)行封裝，轉(zhuǎn)變成為系列性的Lab SQL VI模式，可以使操作更加簡(jiǎn)單，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)與結(jié)果經(jīng)過(guò)處理之后，根據(jù)用戶的需求選擇是否進(jìn)行保存。

綜上所述，DC/DC變換器因其較小體積、較強(qiáng)的可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)特征，被廣泛地應(yīng)用到航海、汽車電子、軍事和航空航天事業(yè)的控制系統(tǒng)中。基于Lab VIEW的DC/DC變換器測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)，充分應(yīng)用了現(xiàn)有的技術(shù)與資源，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)委托方的測(cè)試要求完成對(duì)DC/DC變換器的合格性判定，同時(shí)避免了單臺(tái)手動(dòng)工作，使分散的儀器設(shè)備得到更集中地管理，進(jìn)一步提升設(shè)備的通用性與擴(kuò)展性。

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