CN106134452B - 包含大功率有源可控负载的测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率有源可控负载及包含该负载的测试系统和测试方法，该负载由EPLD、DAC和MOSFET组成，其中EPLD接收测试系统中PC机的控制命令数据帧，实时控制DAC的输出电压值，同时控制测试系统中继电器对数据采集对象进行切换，DAC根据EPLD的控制命令将电压值实时输出给MOSFET，MOSFET根据DAC提供的电压值实时调节其电阻，为测试系统提供极大范围内变化的电阻值，且负载的体积很小，可以承载30W以上的较大功率，该负载与PC机联合组成的测试系统可以实现各种数字电源的特性测试，测试速度快，测试步骤简单，大大提高了测试效率，数据可以自动记录，真正实现了测试的完全自动化。

Description

包含大功率有源可控负载的测试系统和测试方法

技术领域

本发明属于自动化检测数字电源技术领域，特别是涉及大功率有源可控负载、包含该负载的测试系统及测试方法。

背景技术

数字电路的功耗与日俱增，少则几瓦，多则几十瓦。这对产品供电模块的稳定性和可靠性提出了更高的要求。为了对供电模块的稳定性和可靠性进行有效的检测、控制和评估，进行负载特性测试是必不可少的技术手段。目前电源特性的检测主要是基于滑动变阻器和数字万用表。这种测试方法所采用的滑动变阻器体积大，而且测试过程需要人工不断调节，对于大批量的测试来说效率很低，可操作性差，不利于标准测试，并且电阻可调范围有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供大功率有源可控负载及包含该负载的测试系统，该有源可控负载利用MOSFET实现极大范围内的电阻可调，且负载的体积很小，可以承载30W以上的较大功率，该负载与PC机联合组成的测试系统可以实现各种数字电源的特性测试，测试速度快，真正实现了测试的完全自动化。

本发明的另外一个目的在于提供包含大功率有源可控负载的测试系统的测试方法。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

大功率有源可控负载，包括EPLD、DAC和MOSFET，用于在极大范围内调节测试系统中测试回路的电阻，其中EPLD接收测试系统中PC机的控制命令数据帧，并进行解析，根据解析出的控制命令实时控制DAC的输出电压值，同时控制测试系统中继电器的打开与闭合以实现对数据采集对象的切换，此外在接收到控制命令数据帧后向PC机回传应答数据帧；DAC根据EPLD的控制命令将电压值实时输出给MOSFET；MOSFET根据DAC提供的电压值实时调节其电阻，为测试系统提供极大范围内变化的电阻值。

在上述大功率有源可控负载中，MOSFET为测试系统提供从0.03Ω～200MΩ的电阻值。

在上述大功率有源可控负载中，EPLD控制测试系统中继电器的打开与闭合，以实现对测试系统中采样电阻R两端电压U₁与待测电源输出电压U₂之间的切换。

在上述大功率有源可控负载中，EPLD对DAC的输出电压控制通过三线制同步数据传输链路，其中一条为数据线，一条为时钟线，一条为数据有效线。

包含大功率有源可控负载的测试系统，还包括PC机、数字万用表、继电器、采样电阻R及其组成的测试回路，其中：

PC机：接收数字万用表采集的电压数据U₁、U₂，对所述电压数据U₁、U₂进行分析，判断测试流程是否结束，若没有结束则发出控制命令，控制大功率有源可控负载改变电阻，继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，若判断测试流程结束则向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令，并判断待测电源是否为合格电源，同时接收大功率可控负载在接收到控制命令后回传的应答数据帧；

数字万用表：采集测试回路中的电压数据U₁、U₂，并将电压U₁、U₂输出给PC机，所述U₁为采样电阻R两端的电压，U₂为待测输出电压。

继电器：通过打开与闭合实现电压U₁、U₂之间的测试切换。

采样电阻R：为至少大于20W的大功率电阻，用于将测试回路中的电流数据转化为可测的电压数据。

在上述包含大功率有源可控负载的测试系统中，PC机对电压数据U₁、U₂进行分析，判断测试流程是否结束，并判断待测电源是否为合格电源的具体方法如下：

(1)计算回路电流I_R＝U₁/R；

(2)若I_R＞待测电源的电流上限，则测试流程结束，向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令；若I_R≤待测电源的电流上限，且U₂在待测电源的标称误差范围内，则减小大功率有源可控负载的电阻，继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，回到步骤(1)；

(3)测试流程结束后，在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂均在待测电源的标称误差范围内，则待测电源为合格电源；否则在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂至少有一个超出待测电源的标称误差范围，则待测电源为不合格电源。

在上述包含大功率有源可控负载的测试系统中，采样电阻R的阻值为0.2Ω，误差小于1％。

包含大功率有源可控负载的测试系统的测试方法，包括如下步骤：

(1)PC机将控制命令数据帧发送给大功率有源可控负载，大功率有源可控负载根据控制命令调节电阻阻值，继电器切换开关，首先由数字万用表测试采样电阻R两端的电压U₁，之后继电器切换开关，由数字万用表测试待测回路两端电压U₂，并将电压数据U₁、U₂输出给PC机；

(2)PC机对电压数据U₁、U₂进行分析，具体方法如下：

步骤一、计算回路电流I_R＝U₁/R；

步骤二、若I_R＞待测电源的电流上限，则测试流程结束，PC机向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令；若I_R≤待测电源的电流上限，且U₂在待测电源的标称误差范围内，PC机控制大功率有源可控负载减小电阻阻值，并继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，回到步骤一；

(3)PC机判断待测电源是否合格，具体方法如下：

测试流程结束后，在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂均在待测电源的标称误差范围内，则待测电源为合格电源；否则在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂至少有一个超出待测电源的标称误差范围，则待测电源为不合格电源。

本发明与现有技术比较具有如下优点：

(1)本发明大功率有源可控负载由EPLD、DAC和MOSFET组成，其中MOSFET栅-源极之间不加电压时，源-漏极之间不存在导电沟道，处于绝缘状态，施加电压时源-漏极之间存在导电沟道，电压越大导电沟道电阻R_DS(ON)越小，实现了电阻在极大范围内的可调，从而为测试系统测试提供了大功率、大范围可调的可变电阻；

(2)本发明测试系统通过将PC机与大功率有源可控负载联合使用，通过PC机对测试电压数据进行自动分析，控制有源可控负载电阻的变化，进而通过回路电流与待测电源的电流上限的比较，及待测电源输出与标称电源输出相比较，判断待测电源是否合格，该测试系统实现了针对各种规格的数字电源的特性测试，测试速度快，数据可以自动记录，真正实现了测试的完全自动化；

(3)本发明大功率有源可控负载采用的EPLD为高度集成器件，且DAC和MOSFET体积较小，因而使的整个负载整体体积很小，与采用滑动变阻器的传统负载相比，使用更加灵活方便，适用于各种不同需求的测试系统；

(4)本发明测试过程完全实现了自动化，测试步骤简单，测试速度快，相比现有技术大大提高了测试效率，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明大功率有源可控负载及测试系统组成结构框图；

图2为本发明大功率有源可控负载中MOSFET内部结构原理图；

图3为本发明大功率有源可控负载中MOSFET的转移特性和输出特性图；

图4为本发明大功率有源可控负载中DAC的控制接口时序图；

图5为本发明大功率有源可控负载中EPLD的工作流程图；

图6为本发明测试系统中PC机的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明有源可控负载主要用于大功率供电模块的负载特性检测，为了实现自动化测试，有源可控负载需要搭配数据采集设备和控制设备。在本发明中，采用了数字万用表，PC机作为测试系统的数据采集和控制设备，此外还采用了继电器与采样电阻。测试系统组成原理框图如图1所示，其中虚框的部分为大功率有源可控负载。

大功率有源负载电路的主要组成部分有：MOSFET、EPLD、DAC。

MOSFET(基于MOS工艺的场效应管)运用MOSFET的漏-源极的可变负载特性，改变栅-源电压，实现有源可控负载，MOSFET是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。本发明采用N沟道增强型MOSFET管，N沟道增强型MOSFET的栅-源极之间不加电压时，源-漏极之间不存在导电沟道，即使漏-源极之间加电压，也不会有漏极电流。当栅极金属层聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO₂一侧的空穴，形成耗尽层。当U_GS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了源-漏极之间的导电沟道。N沟道增强型MOSFET的内部结构如图2所示，使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压U_GS(th)，U_GS越大，反型层越厚，导电沟道电阻R_DS(ON)越小。N沟道增强型MOSFET的转移特性和输出特性曲线如图3所示。MOSFET的源极和漏极之间可以承载的很大的耗散功率，因此可以用作大功率有源可控负载的基本元件。漏-源极间电流i_D与U_GS的近似关系式为：

$i_D=k{(\frac{U_{GS}}{U_{GS\left(th\right)}}-1)}^2$

本发明有源可控负载的基本原理就是基于上式，即通过控制U_GS实现对回路电流的控制，这样就可以使N沟道增强型MOSFET等效为一个电阻大小可控的电子元件，实现有源可控负载。本发明中的MOSFET采用IR(国际整流)公司的IRLU3105系列MOSFET，它的漏-源极之间的电流i_D最大可以达到25A，可以承载57W的耗散功率，漏-源极之间的可承受电压达55V，完全符合大功率需求。MOSFET为测试系统提供从0.03Ω～200MΩ的电阻值，MOSFET根据DAC提供的电压值实时调节其电阻，为测试系统提供极大范围内变化的电阻值。

EPLD通过RS232接口与PC机进行通讯，接收PC机的控制命令数据帧；对PC机传输的控制命令数据帧进行解析，然后根据控制命令数据帧的内容控制DAC和继电器的工作状态，并向PC机传送命令接收确认数据帧。EPLD对DAC的输出电压控制通过三线制同步数据传输链路，从而实现对MOSFET栅-源电压的控制。对继电器的控制通过1位IO电平，从而实现对数据采集对象(采样电阻R两端电压U₁与待测电源输出电压U₂)之间的切换。EPLD是一种电可编程逻辑器件，能够通过编程实现所需要的各种功能。本发明EPLD采用ALTERA公司的EPM1270T144。如图5所示为本发明大功率有源可控负载中EPLD的工作流程图。

DAC通过EPLD传输的电压控制命令实现对DAC输出电压的控制，控制数据传输采用三线制同步数据传输链路，一条数据线，一条时钟线，一条数据有效线。其控制接口时序如图4所示，由图可知当数据有效端为低时，表示传输数据，当数据有效端为高时，表示不传输数据。

PC机是本发明测试系统的主控设备，它完成了对测试流程的自动化管理。PC机通过数字万用表采集的数据，实现对回路电流和待测输出电压的检测，同时对检测到的数据进行分析，判断是否应该结束测试流程，并通过RS232接口控制EPLD，实现对MOSFET栅-源电压、继电器的控制，实现对测试流程的总控制，其工作过程图如图6所示。

PC机接收输入的待测电源最大电流上限，通过RS232向EPLD发送控制指令数据帧，并接收确认数据帧，同时接收数字万用表采集的电压数据U₁、U₂，对电压数据U₁、U₂进行分析，计算I_R＝U₁/R，通过将I_R与待测电源的电流上限进行比较，判断测试流程是否结束，若没有结束则控制大功率有源可控负载继续改变电阻，继续接收采集的电压数据，进行回路电路I_R和待测输出电压U₂的测试，若判断测试流程结束则向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令，在测试流程结束时通过比较U₂与待测电源的标称误差判断待测电源是否为合格电源。

数字万用表实现对采样电阻两端电压U₁和待测电源输出电压U₂的电压值采集，并通过USB接口传回PC机。数字万用表采用NI公司的NI4056系列数字万用表，最高精度6位半。

继电器的功能是完成测试对象的切换，本设计中的测试对象是电阻R上的电压U₁，待测输出电压U₂，如图1所示。

采样电阻R采用0.2欧姆，误差小于1％，功率至少大于20W的大功率电阻。

本发明包含大功率有源可控负载的测试系统的具体测试方法如下：

(1)PC机将控制命令数据帧发送给大功率有源可控负载，大功率有源可控负载根据控制命令调节电阻阻值，继电器切换开关，首先由数字万用表测试采样电阻R两端的电压U₁，之后继电器切换开关，由数字万用表测试待测回路两端电压U₂，并将电压数据U₁、U₂输出给PC机；

(2)PC机对电压数据U₁、U₂进行分析，具体方法如下：

步骤一、计算回路电流I_R＝U₁/R；

步骤二、若I_R＞待测电源的电流上限，则测试流程结束，PC机向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令；若I_R≤待测电源的电流上限，且U₂在待测电源的标称误差范围内，PC机控制大功率有源可控负载减小电阻阻值，并继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，回到步骤一；

(3)PC机判断待测电源是否合格，具体方法如下：

测试流程结束后，在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂都在待测电源的标称误差范围内，则判断待测电源为合格电源；在I_R≤待测电源的电流上限时，只要采集的U₂有一个超出待测电源的标称误差范围，则判断待测电源为不合格电源。如图6所示为PC机的测试流程图。

下面列举一个具体的实例：

待测电源采用某弹上产品的数字电源模块，输出5.1V(±0.05V)，即标称误差为0.05V，额定电流4A，过流保护点6A(±0.2A)，即待测电源输出电流上限为6A。测试的简单流程是：控制栅-源电压为开启电压，第一次测量采样电阻R两端电压U₁，根据U₁/0.2计算出回路电流I_R，第二次测量待测输出电压U₂。这是一个周期，然后按照这种方式不断增加栅-源电压，直到待测电源输出电流值达到用户输入的最大电流值6A(±0.2A)。按照这种测试方式，记录的部分数据如表1所示：

表1

UGS(V)	IR(A)	U2(V)
			2.2	0.31	5.087
2.3	1.50	5.087
			2.35	2.15	5.083
2.4	2.80	5.083
			2.47	4.015	5.083
2.55	5.38	5.067
			2.58	5.96	5.053
2.585	6.05	5.011
			2.59	6.14	4.840

由上表1可以看出，当电流I_R(6.05A，6.14A)超过待测电源输出电流上限6A时，输出电压U₂(5.011V，4.840V)，超出输出电压的标称误差范围(5.1V±0.05V)，而电流I_R在6A之内时(表中数据1～7)，输出电压U₂始终在标称误差范围之内，因此可以判断该待测电源为合格电源。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.包含大功率有源可控负载的测试系统，其特征在于：还包括PC机、数字万用表、继电器、采样电阻R及其组成的测试回路，其中：

PC机：接收数字万用表采集的电压数据U₁、U₂，对所述电压数据U₁、U₂进行分析，判断测试流程是否结束，若没有结束则发出控制命令，控制大功率有源可控负载改变电阻，继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，若判断测试流程结束则向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令，并判断待测电源是否为合格电源，同时接收大功率可控负载在接收到控制命令后回传的应答数据帧；

数字万用表：采集测试回路中的电压数据U₁、U₂，并将电压U₁、U₂输出给PC机，所述U₁为采样电阻R两端的电压，U₂为待测输出电压；

继电器：通过打开与闭合实现电压U₁、U₂之间的测试切换；

采样电阻R：为至少大于20W的大功率电阻，用于将测试回路中的电流数据转化为可测的电压数据；

其中所述PC机对电压数据U₁、U₂进行分析，判断测试流程是否结束，并判断待测电源是否为合格电源的具体方法如下：

(1)计算回路电流I_R＝U₁/R；

(2)若I_R＞待测电源的电流上限，则测试流程结束，向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令；若I_R≤待测电源的电流上限，且U₂在待测电源的标称误差范围内，则减小大功率有源可控负载的电阻，继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，回到步骤(1)；

(3)测试流程结束后，在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂均在待测电源的标称误差范围内，则待测电源为合格电源；否则在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂至少有一个超出待测电源的标称误差范围，则待测电源为不合格电源。

2.根据权利要求1所述的包含大功率有源可控负载的测试系统，其特征在于：所述采样电阻R的阻值为0.2Ω，误差小于1％。

3.根据权利要求1所述的包含大功率有源可控负载的测试系统的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)PC机将控制命令数据帧发送给大功率有源可控负载，大功率有源可控负载根据控制命令调节电阻阻值，继电器切换开关，首先由数字万用表测试采样电阻R两端的电压U₁，之后继电器切换开关，由数字万用表测试待测回路两端电压U₂，并将电压数据U₁、U₂输出给PC机；

(2)PC机对电压数据U₁、U₂进行分析，具体方法如下：

步骤一、计算回路电流I_R＝U₁/R；

步骤二、若I_R＞待测电源的电流上限，则测试流程结束，PC机向数字万用表、继电器和大功率有源可控负载发送复位指令；若I_R≤待测电源的电流上限，且U₂在待测电源的标称误差范围内，PC机控制大功率有源可控负载减小电阻阻值，并继续接收数字万用表采集的电压数据U′₁、U′₂，回到步骤一；

(3)PC机判断待测电源是否合格，具体方法如下：

测试流程结束后，在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂均在待测电源的标称误差范围内，则待测电源为合格电源；否则在I_R≤待测电源的电流上限时，若采集的U₂至少有一个超出待测电源的标称误差范围，则待测电源为不合格电源。