CN100501437C - 一种电源老化系统 - Google Patents

Abstract

一种新型电源老化系统，它包括：个人计算机、控制器、系统电源、电子开关、被老化电源、负载电源。系统电源电压通过导线、电子开关加在被老化电源的输入端，被老化电源工作，其输出电压通过导线加在负载电源的输入端，负载电源工作，其输出反馈到系统电源电压总线，从而能量得以循环利用。整个系统结构简单，易于扩展，能量复用，能大量节省电能，消除散热问题，个人计算机通过总线直接或间接地控制系统控制器、系统电源、电子开关、被老化电源、负载电源，系统智能化。

Description

一种电源老化系统

技术领域

本发明涉及电子产品的老化测试，具体来说是一种新型电源老化系统。

背境技术

电子产品如电源等在出厂前，通常需要进行一定时间的老化以期性能稳定，剔除早期失效品，是品质控制的一项重要手段。电源老化就是在一定的温度、输入电压、负载电流下工作。传统电源老化系统(图1)通常使用水泥电阻等作为其功率负载。这种老化系统从原理上来说很简单：被老化电源为恒压输出时，输出电流等于电压除以电阻；被老化电源为恒流输出时，输出电压等于电流乘以电阻。功率负载将电能转化为热能损耗掉。这种老化系统在被老化电源为小功率输出时能较容易的实现，但是，随着被老化电源输出功率的增加，功率负载上的散热将非常困难，必须采取外加体积庞大的散热器、强风等措施。从而系统体积大、散热困难、灵活性差、可靠性差、能耗严重，宝贵的电转化成热被白白浪费掉。

例如：一个典型的老化电源：48伏直流输入，12伏交流输出，输出功率为500瓦，样品数为100只，该被老化电源典型效率为96％。不计线路损耗，被老化电源输出总功率为500瓦*100＝50千瓦，需要输入功率为50千瓦/95％＝52千瓦，假设系统电源效率为95％，这样需要电网功率为52千瓦/90％＝54.7千瓦。

发明内容

本发明提供了一种新型电源老化系统，能有效的消除传统老化系统带来的能耗大、体积大、散热困难、灵活性差、可靠性差等问题。

本发明由个人电脑、控制器、系统电源、电子开关、被老化电源、负载电源等部分构成，其特征在于：系统电源电压通过导线、电子开关加在被老化电源的输入端，被老化电源工作，被老化电源的输出电压通过导线加在负载电源的输入端，负载电源工作，负载电源的输出反馈到系统电源电压总线上，从而能量得以循环利用；个人计算机通过总线直接或间接地控制系统控制器、系统电源、电子开关、被老化电源和负载电源，使系统实现智能化控制；所述的负载电源，以输入参量为调整对象，输入闭环，输出开环，包括功率变换器、输入采样及放大电路、误差比较放大电路、基准电路、斜波发生器、脉冲宽度调制比较器、驱动器、以及延时软启动电路、启动电压设定电路、欠压保护电路、过压保护电路、过温保护电路，输入采样及放大电路采样输入电压或电流并放大，然后与基准电路在误差比较放大电路中完成误差放大，放大的误差信号与斜波发生器产生的斜波通过宽度调制比较器比较得到脉冲宽度受输入电压或电流调整的脉冲信号，此脉冲信号通过驱动器驱动功率变换器中的功率开关而工作。

本发明能大量节省电能，简化老化系统结构，消除散热问题，增强系统的灵活性，提高系统的可靠性。

对上文提及的老化测试采用本发明，负载电源典型效率为94％，则有反馈功率为50千瓦*94％＝47千瓦，需要电网功率仅为54.7千瓦-47千瓦＝7.7千瓦，节约功率达47千瓦。

本发明的关键在于负载电源的输出反馈到系统电源电压总线上，从而达到能量循环利用的目的。负载电源的输出电压反馈到总线电压上并能稳定工作，其原理如下：负载电源以输入参量为调整对象，对输入电压或电流闭环。被老化电源为电压型输出，则负载电源工作在恒流输入模式或恒阻输入模式；被老化电源为电流型输出，则负载电源工作在恒压输入模式或恒阻输入模式。对这两种情况，都有输入功率一定，对于负载电源而言，一定的输入功率经过一定的效率损耗，输出功率就一定了。又因为负载电源输出开环，其的输出反馈到总线电压上，如果它的输出高于总线电压，则它的输出电流大幅度增加，电流增加，电压就下降；如果它的输出低于总线电压，则其输出电流减少，电流减少，电压就升高。这样，负载电源的输出就能自动跟随并稳定于总线电压。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是传统的电源老化系统示意图。

图2是本发明的系统示意图。

图3是本发明中负载电源示意图。

图4—图14是本发明中负载电源的典型实施电路图

图4是输入采样及放大电路的一种典型实施电路图。

图5是基准电路的一种典型实施电路图。

图6是误差比较放大电路的一种典型实施电路图。

图7是斜波发生器电路的一种典型实施电路图。

图8是脉冲宽度调制(PWM)比较及驱动器电路的一种典型实施电路图。

图9是起动电压设定、过压、过温保护电路的一种典型实施电路图。

图10是延时软启动电路的一种典型实施电路图。

图11—图18是功率变换器为不同拓扑的实施电路图。

图11是功率变换器为升压式BOOST电路的实施电路图。

图12是功率变换器为中间抽头升压式BOOST电路实施电路图。

图13是功率变换器为降压式BUCK电路的实施电路图。

图14是功率变换器为中间抽头降压式BUCK电路实施电路图。

图15是功率变换器为升降压式BUCK-BOOST电路的实施电路图。

图16是功率变换器为中间抽头升降压式BUCK-BOOST电路的实施电路图。

图17是功率变换器为反激式FLYBACK电路的实施电路图。

图18是功率变换器为正激式FORWARD电路的实施电路图。

图19是两路功率变换器为升压式BOOST电路在负载电源内并联的实施电路图。

图20是两路负载电源并联的实施电路图。

具体实施方式

图1是传统的电源老化系统示意图。系统电源输出总线电压加在被老化电源的输入端，被老化电源工作，其输出接功率负载如水泥电阻，调整水泥电阻阻值，就可以调整被老化试电源负载电流或负载电压，让其工作在要求的工作状态下。

图2是本发明的系统示意图。系统电源电压通过导线、电子开关加在被老化电源的输入端，被老化电源工作，被老化电源的输出电压通过导线加在负载电源的输入端，负载电源工作，负载电源的输出反馈到系统电源电压总线。个人计算机通过总线直接或间接地控制系统控制器、系统电源、电子开关、被老化电源、负载电源：通过总线控制系统电源，设定输入电压；通过总线控制系统控制器，控制电子开关，设定负载电源工作模式、工作参数、监控状态，监控被测试电源工作状态。

图3是本发明中负载电源示意图。负载电源以输入参量为调整对象，输入闭环，输出开环，包括功率变换器、输入采样及放大部分、误差放大器、基准、斜波发生器、脉冲宽度调制(PWM)比较器、驱动器、以及软启动、欠压保护、过压保护、过温保护，输入采样及放大部分采样输入电压或电流并放大，然后与基准在误差放大器处完成误差放大，放大的误差信号与斜波发生器产生的斜波通过宽度调制(PWM)比较器比较得到脉冲宽度受输入电压或电流调整的脉冲信号，此脉冲信号通过驱动器驱动功率变换器中的功率开关而工作。

图中功率变换器可采用既有电力电子功率变换器拓扑，从电气特征来说包括隔离及非隔离式功率变换器，从输入输出特征来说包括直流—直流、直流—交流功率变换器。从整流方式来说，包括二极管整流方式和同步(MOSFET)整流方式。

基于上述特性，本发明中的负载电源输出能自然并联：既可在负载电源内由多路功率变换器并联，也可以在负载电源间多路并联。在并联方式上，采用错相并联技术可以进一步减少输入输出纹波。

由于负载电源是本发明的核心，接下来在图4—图10中予以详细说明。

图4是输入采样及放大电路的一种典型实施电路图。R1、R2组成的分压电路采样输入电压电路，Vs正比于输入电压VIN；IC1、Rs、R3、R4、R5、R6组成电流采样放大电路，电压信号Vis正比于输入电流Iin。S1、S2为切换开关，S1导通，S2断开，实现输入电流采样；S1断开，S2导通，实现输入电压采样。输入采样电路的输出为Vsense。上述电流采样也可用电流互感器、霍尔器件等具有电气隔离的器件来实现。

图5是基准电路的一种典型实施电路图。集成芯片IC2、电阻R7、R8、R9、电位器Rr1组成可调基准电路，输出为可调基准电压Vref。S3、S4为切换开关，S3导通，S4断开，选择设定基准Vref_set为输入电压采样Vs；S3断开，S4导通，选择设定基准Vref_set为基准电压Vref。基准电压Vref也可由外电路提供。

本发明中负载电源有三种工作模式，恒流输入模式、恒压输入模式、恒阻输入模式，被老化电源为电压源型输出时，负载电源就为恒流输入模式或恒阻输入模式；被老化电源为电流源型输出时，负载电源就为恒压输入模式或恒阻输入模式。通过切换开关S1、S2，S3、S4的不同组合可以实现上述三种工作模式：S1导通，S2断开，S3断开，S4导通，为恒流输入模式；S1断开，S2导通，S3断开，S4导通，为恒压输入模式；S1导通，S2断开，S3断开，S4导通，为恒阻输入模式。

图6是误差比较放大电路的一种典型实施电路图。IC3以及反馈网络R11、C1、C2组成误差比较放大电路。输入采样电路的输出Vsense与基准电路的输出设定基准Vref_set比较放大，得到放大了的误差信号Vfb。

图7是斜波发生器电路的一种典型实施电路图。IC7、IC8与R18、C4构成频率约250KHZ的谐振电路，由IC9整形得到方波，Q2、Q3组成镜像恒流源对C5进行恒流充电，其充电电流大小由R17决定；Q4、Q5组成镜像恒流源对C5进行恒流放电，放电电流由R16决定。IC9输出为高电平时，Q1导通，其集电极电压约为0.3V，则Q4、Q5的放电回路关断，这样由Q2、Q3这一充电回路对C5进行恒流充电，C5两端电压线性上升；IC9输出为低电平时，Q1处于截止状态，Q2、Q3组成的充电回路、Q4、Q5组成的放电回路均起作用，Q5的放电电流大于Q3的充电电流，这样便等效为对C5进行恒流放电，C5两端电压线性下降。在C5上得到与谐振同频的三角斜波信号Vramp。

图8是脉冲宽度调制(PWM)比较及驱动器电路的一种典型实施电路图。斜波信号Vramp连接到PWM比较器IC10的同相输入端，IC3输出的误差信号Ifb连接到PWM比较器IC10的反相输入端，在PWM比较器IC10的输出端得到受输入电压或输入电流或输入电压与输入电流共同(恒阻)调制的PWM脉冲方波。PWM脉冲方波通过反相器IC11进入由Q6、Q7组成的图腾拄式驱动器，驱动能力得到增强，产生PWM脉冲驱动信号Vdrive。

图9是起动电压设定、过压、过温保护电路的一种典型实施电路图。图9中，电位器Rr2、IC4组成输入电压监测电路；R12、Rt、R13、R14、IC5组成过温保护电路，其中Rt为热敏电阻；电位器Rr3、IC6组成输出电压监测电路。电路正常工作时，保护信号Vprotect为低电平；当电路处于欠压、过温或过压等状态时，保护信号Vprotect变为高电平。

图10是延时软启动电路的一种典型实施电路图。电路由D1、R14、C3、D2组成。当电路处于欠压、过温或过压等状态时，保护信号Vprotect变为高电平，C3上充电至高电平，延时软启动电路的输出Vsoft也为高电平，关闭PWM比较器，PWM脉冲驱动信号Vdrive为低电平；当电路脱离欠压、过温或过压等状态时，保护信号Vprotect由高电平变为低电平，二级管D1截至，C3通过R14放电，电压缓慢下降，延时软启动电路的输出Vsoft也就缓慢下降使能PWM比较器，PWM脉冲驱动信号Vdrive缓慢展开实现电路软起动。

图11是功率变换器为升压式BOOST电路的实施电路图。包括输入电容Cin、主电感L、主开关管S、整流管D和输出电容Cout。主开关管S的开通和关断受PWM脉冲驱动信号Vdrive控制。Vdrive为相对高电平时，主开关管S开通，输入电压Vin加在主电感L两端，电感电流增加贮能；Vdrive为相对低电平时，主开关管S关断，电感贮能向输出端释放而减少。输入电容Cin、输出电容Cout都起着贮能、平滑滤波的作用。本电路适用于输出电压较输入电压高之场合。

图12—图18是功率变换器为不同拓扑时的扩展实施例。

图12是功率变换器为中间抽头升压式BOOST电路实施电路图。包括输入电容Cin、耦合电感L、主开关管S、整流管D和输出电容Cout。工作原理基本同图5。由于使用耦合电感，降低了占空比，从而能够实现较高的输出输入电压变比。

图13是功率变换器为降压式BUCK电路的实施电路图。包括输入电容Cin、主电感L、主开关管S、续流管D和输出电容Cout。主开关管S的开通和关断受PWM脉冲驱动信号Vdrive控制。Vdrive为相对高电平时，主开关管S开通，输入电压通过主电感L向输出传递能量，主电感L两端电压为输入电压与输出电压之差，同时电感电流增加而贮能；Vdrive为相对低电平时，主开关管S关断，电感贮能通过续流管D向输出端释放。输入电容Cin、输出电容Cout都起着贮能、平滑滤波的作用。适用于输出电压较输入电压低之场合。

图14是功率变换器为中间抽头降压式BUCK电路实施电路图。包括输入电容Cin、耦合电感L、主开关管S、整流管D和输出电容Cout。工作原理基本同图7。由于使用耦合电感，增加了占空比，从而能够实现较高的输入输出电压变比。

图15是功率变换器为升降压式BUCK-BOOST电路的实施电路图。包括输入电容Cin、主电感L、主开关管S、续流管D和输出电容Cout。主开关管S的开通和关断受PWM脉冲驱动信号Vdrive控制。Vdrive为相对高电平时，主开关管S开通，输入电压Vin加在主电感L两端，电感电流增加贮能；Vdrive为相对低电平时，主开关管S关断，电感贮能通过续流管D向输出端释放。输入电容Cin、输出电容Cout都起着贮能、平滑滤波的作用。本电路适用于负电压输入之场合。

图16是功率变换器为中间抽头升降压式BUCK-BOOST电路的实施电路图。包括输入电容Cin、耦合电感L、主开关管S、整流管D和输出电容Cout。工作原理基本同图7。由于使用耦合电感，减小了占空比，从而能够实现较高的输入输出电压变比。

图17是功率变换器为隔离反激式FLYBACK电路的实施电路图。包括输入电容Cin、变压器T、主开关管S、整流管D和输出电容Cout。主开关管S的开通和关断受PWM脉冲驱动信号Vdrive控制。Vdrive为相对高电平时，主开关管S开通，输入电压Vin加在原边绕组两端，绕组电流增加贮能；Vdrive为相对低电平时，主开关管S关断，贮能通过整流管D向输出端释放。输入电容Cin、输出电容Cout都起着贮能、平滑滤波的作用。

图18是功率变换器为隔离正激式FORWARD电路的实施电路图。包括输入电容Cin、变压器T、主开关管S、整流管D和输出电容Cout。主开关管S的开通和关断受PWM脉冲驱动信号Vdrive控制。Vdrive为相对高电平时，主开关管S开通，输入电压Vin加在原边绕组两端，整流管D1导通向输出端释放能量；Vdrive为相对低电平时，主开关管S关断，整流管D1断开，D2导通续流，D3及第三绕组W3完成磁复位。输入电容Cin、输出电容Cout都起着贮能、平滑滤波的作用。

图19是两路功率变换器为升压式BOOST电路在负载电源内并联的实施电路图。PWM脉冲除了驱动由L1、S1、D1这一路变换器之外，还经过移相电路后得到2Vdrive驱动由L2、S2、D2组成的另一路变换器，两路的输入输出并联，电路能有效的减小输入输出纹波，提高功率密度，电路中的Vdrive2也可以由独立的输入采样得来。多路并联这样方式能够比较方便的在所有结构的变换器上实现。

图20是两路负载电源并联的实施电路图。在被老化电源为大功率输出时，可以通过这种两个或多个负载电源并联的方式灵活地加大负载。

以上通过一些典型实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此，凡在不违背本发明的精神和内容所作的改动与替换，应被视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种电源老化系统，它包括个人计算机、系统控制器、系统电源、电子开关、被老化电源和负载电源，其特征在于：系统电源电压通过导线、电子开关加在被老化电源的输入端，被老化电源的输出电压通过导线加在负载电源的输入端，负载电源的输出反馈到系统电源电压总线上，个人计算机直接或间接控制地控制系统控制器、系统电源、电子开关、被老化电源和负载电源；所述的负载电源，以输入参量为调整对象，输入闭环，输出开环，包括功率变换器、输入采样及放大电路、误差比较放大电路、基准电路、斜波发生器、脉冲宽度调制比较器、驱动器、以及延时软启动电路、启动电压设定电路、欠压保护电路、过压保护电路、过温保护电路，输入采样及放大电路采样输入电压或电流并放大，然后与基准电路在误差比较放大电路中完成误差放大，放大的误差信号与斜波发生器产生的斜波通过宽度调制比较器比较得到脉冲宽度受输入电压或电流调整的脉冲信号，此脉冲信号通过驱动器驱动功率变换器中的功率开关而工作。

3、按权利要求1所述的电源老化系统，其特征在于：所述的负载电源输出能自然并联，所述的自然并联可以在负载电源内由多路功率变换器并联，或者在负载电源间多路并联，上述并联包括错相并联。

4、按权利要求1所述的电源老化系统，其特征在于：所述的负载电源有三种工作模式：恒流输入模式、恒压输入模式、恒阻输入模式，被老化电源为电压源型输出时，负载电源就为恒流输入模式或恒阻输入模式；被老化电源为电流源型输出时，负载电源就为恒压输入模式或恒阻输入模式。

5、按权利要求1所述的电源老化系统，其特征在于：所述的输入采样及放大电路包括输入电压采样电路和输入电流采样电路，所述的输入电压采样电路采用电阻分压形式实现；所述的输入电流采样电路采用具有高稳定性的电阻或具有电气隔离性能的电流互感器、霍尔器件其中的任何一种器件来实现。

6、按权利要求1所述的电源老化系统，其特征在于：所述的负载电源的基准电路由内电路产生或外电路提供，幅值可调。

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