CN111366807A - 一种元器件可调恒温高温测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种元器件可调恒温高温测试设备，采用顶部加热器和底部加热器分别从待测元器件测试电路板的上方和下方对待测元器件测试电路板进行加热，其加热功率由控制模块进行控制，顶部温度传感器和底部温度传感器分别对顶部加热器和底部加热器的温度进行采集并发送给控制模块，控制模块根据接收到的温度值与设置的测试温度之间的温差，对顶部加热器和底部加热器的加热功率进行调整，以使实际温度保持在所设置的测试温度误差范围内。本发明采用具有相同温度的上下发热源包夹待测元器件电路板的制热结构，实现低功耗可调恒温高温测试设备。

Description

一种元器件可调恒温高温测试设备

技术领域

本发明属于元器件测试设备技术领域，更为具体地讲，涉及一种元器件可调恒温高温测试设备。

背景技术

一般来说，电子系统的所有元器件都要做高温条件下的测试，以确保其在额定高温环境下能够正常工作，并确定其在额定高温下的各种电参数数值。常见的元器件高温测试温度有85℃，105℃，125℃等。

在现有技术领域中，通常的元器件高温测试设备是常见的温度可控的高低温恒温箱。图1是现有高低温恒温箱的结构示意图。如图1所示，现有的高低温恒温箱在进行元器件高温测试时，将一个待测元器件和其它辅助测试元器件组成的测试电路板将放于其中，高低温恒温箱的内部电热管加热空气并由风机循环让高温空气包围着的待测元器件电路板处于相对恒定的高温。但是常见的高低温恒温箱体积大、重量重、占地多，并有几十分钟长的预热时间，浪费了能源。而对测试元器件本身来说，因为待测元器件和与其它辅助测试元器件组成的电路板都在恒温箱内部，当测试结果为待测元器件不能正常工作时，也并不能100％定位待测元器件高温特性不达标，还可能是其它辅助测试元器件在高温下出了故障造成整体测试报错。此外，对元器件的高温测试时间往往较长，一种元器件可能做几十个甚至几百个小时的高温测试，而现有高低温恒温箱由于体积和工作原理的原因功率都很高，甚至高达几千瓦，长时间的测试将使用很多的电能，并且内部有易燃材料，高温工作时需要进行防火监控。

图2是另一类型高温测试设备的结构示意图。如图2所示，该设备采用1-2米特殊软管将设备主体内部能量传导到软管端部的热传导头直接，与待测元器件接触。虽然设备主体体积较小，但需要配置一根直径3-5厘米左右，长度1-2米的能量传导软管，该能量传导软管的价格非常昂贵，大大提高了测试成本。在测试时，需要特定的与软管端部热传导头相匹配的金属扣具固定在电路板上然后与软管热传导头扣合才能进行测试，所以这些测试电路板必须要匹配扣具机械结构专门设计，否则就无法测试，这让测试电路板的设计并不灵活，设计也更费时。由于这类型设备的加热结构原因，它们在待测元器件上的加热面是单面的，待测元器件的另一面没有施加相应温度的热量，由于热阻热传导原因，未施热面温度要比有施热面的低，可能导致测试结果不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种元器件可调恒温高温测试设备，具有相同温度的上下发热源包夹待测元器件电路板的制热结构，实现低功耗可调恒温高温测试设备。

为实现上述发明目的，本发明元器件可调恒温高温测试设备包括顶部加热器、顶部温度传感器、底部加热器、底部温度传感器、控制模块、电源模块，其中：

顶部加热器和底部加热器分别固定于待测元器件测试电路板的上方和下方，二者同时工作，对待测元器件测试电路板进行加热，顶部加热器和底部加热器的加热功率由控制模块进行控制；

顶部温度传感器用于采集顶部加热器的温度并发送给控制模块；

底部温度传感器用于采集底部加热器的温度并发送给控制模块；

控制模块用于根据设置的测试温度控制顶部加热器和底部加热器的加热功率，并根据顶部温度传感器和底部温度传感器上报的顶部加热器温度、底部加热器温度与测试温度之间的温差，对顶部加热器和底部加热器的加热功率进行调整，以使实际测试温度保持在所设置的测试温度误差范围内；

电源模块用于向顶部加热器、顶部温度传感器、底部加热器、底部温度传感器和控制模块进行供电。

本发明元器件可调恒温高温测试设备，采用顶部加热器和底部加热器分别从待测元器件测试电路板的上方和下方对待测元器件测试电路板进行加热，其加热功率由控制模块进行控制，顶部温度传感器和底部温度传感器分别对顶部加热器和底部加热器的温度进行采集并发送给控制模块，控制模块根据接收到的温度值与设置的测试温度之间的温差，对顶部加热器和底部加热器的加热功率进行调整，以使实际温度保持在所设置的测试温度误差范围内。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用顶部加热器和底部加热器对待测元器件测试电路板进行上下包夹，减少空气对流对温度的影响，以便恒定温度；同时提高加热效果，降低能耗；还可以提高温度控制的准确度；

2)采用本发明的待测元器件测试电路板不需要匹配专用扣具，降低测试电路板的设计难度；

3)采用本发明的待测元器件测试电路板在设计时可以将辅助测试元器件布置于非加热区域，避免辅助测试元器件因温度原因对测试结果的影响，提高测试性能；

4)本发明在部件合理选型的情况下可以实现整机的小型化，其整机体积远小于现有的元器件高温测试设备。

附图说明

图1是现有高低温恒温箱的结构示意图；

图2是另一类型高温测试设备的结构示意图；

图3是本发明元器件可调恒温高温测试设备的具体实施方式结构图；

图4是本实施例中元器件可调恒温高温测试设备的具体实施方式结构图；

图5是图4所示固定装置的使用示意图；

图6是本实施例中控制模块的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图3是本发明元器件可调恒温高温测试设备的具体实施方式结构图。如图3所示，本发明元器件可调恒温高温测试设备包括顶部加热器1、顶部温度传感器2、底部加热器3、底部温度传感器4、控制模块5、电源模块6。下面分别对各个模块进行详细说明。

顶部加热器1和底部加热器3分别固定于待测元器件测试电路板的上方和下方，二者同时工作，对待测元器件测试电路板进行加热，顶部加热器1和底部加热器2的加热功率由控制模块5进行控制。

顶部温度传感器2用于采集顶部加热器1的温度并发送给控制模块5。

底部温度传感器4用于采集底部加热器3的温度并发送给控制模块5。

控制模块5用于根据设置的测试温度控制顶部加热器1和底部加热器3的加热功率，并根据顶部温度传感器2和底部温度传感器4上报的顶部加热器温度、底部加热器温度与测试温度之间的温差，对顶部加热器1和底部加热器3的加热功率进行调整，以使实际测试温度保持在所设置的测试温度误差范围内。

电源模块6用于向顶部加热器1、顶部温度传感器2、底部加热器3、底部温度传感器4和控制模块5进行供电。

图4是本实施例中元器件可调恒温高温测试设备的具体实施方式结构图。如图4所示，本实施例中用于对待测元器件测试电路板、顶部加热器、底部加热器、顶部温度传感器和底部温度传感器进行固定的固定装置7包括滑块71、导轨72、顶部发热桩73、底部发热桩74和底板75，其中滑块71固定在顶部发热桩73上，滑块71可沿导轨72上下移动，从而带动顶部发热桩73上下移动，导轨72和底部发热桩74均固定于底板75上，顶部发热桩73和底部发热桩74在竖直方向上相对设置。顶部加热器1和顶部温度传感器2固定于顶部发热桩73内部，顶部发热桩73的下表面设置有开口，以便热量传递。底部加热器3和底部温度传感器4固定于底部发热桩74内部，同样地，底部发热桩74的上表面设置有开口，以便热量传递。顶部发热桩73和底部发热桩74可以采用硬质耐高温隔热材料。底板75上设置有螺纹孔，待测元器件测试电路板通过螺柱固定在底板75上，该螺柱高度等于底部发热桩74高度，从而令待测元器件测试电路板的下表面与底部发热桩74的上表面贴合，在进行测试时移动滑块71使顶部发热桩73的下表面与待测元器件测试电路板的上表面贴合。

图5是图4所示固定装置的使用示意图。如图5所示，在未进行元器件测试时，滑块71位于导轨72的顶端，顶部发热桩73与底部发热桩74存在一定距离。当需要进行元器件测试时，将待测元器件测试电路板通过螺柱固定到底板上，使待测元器件测试电路板的下表面与底部发热桩74的上表面贴合，移动滑块71使顶部发热桩73的下表面与待测元器件测试电路板的上表面贴合。采用以上固定方式，可以使顶部发热桩73与底部发热桩74对待测元器件测试电路板形成上下包夹，并且通过设置发热桩表面尺寸，可以使这个包夹区域长宽尺寸达到高度尺寸的几十倍，如本实施例中包夹区域长宽尺寸均为50mm，高度在2.5mm左右，上下结构加上1000倍的面积高度比能让空气对流几乎不影响热传导和热辐射，温度恒定。此外，采用这种固定方式，在设计待测元器件测试电路板时，可以仅使待测元器件位于包夹区域内，而其他辅助测试元器件都可以布置于包夹区域以外的常温覆盖的区域，使得辅助测试元器件不会因为温度原因对高温测试结果产生影响。

如图4所示，本实施例元器件可调恒温高温测试设备的其他部件放置在底板75下方的设备主体中。

就顶部加热器2和底部加热器3而言，一般可以选择电阻式加热器，本实施例中选择RX24金属铠装电阻作为加热器，该电阻式加热器60W功率就能长时间维持150℃的恒定温度，而维持85℃的恒定温度只需要15W，150℃一般是常规恒温高温箱的升温极限，理论计算，相对于一台5kW的80L常规恒温箱，本实施例采用RX24金属铠装电阻加热器的元器件可调恒温高温测试设备进行100个小时的150度高温测试就能省电494度。

就顶部温度传感器2和底部温度传感器4而言，本实施例中采用PT1000作为温度传感器，该器件在-50℃到300℃的温度下能达到0.01℃的温度分辨率，从而提高温度测试的准确度。

控制模块5是本发明的关键模块。图6是本实施例中控制模块的结构图。如图6所示，本实施例中控制模块5包括参数设置模块51，MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)控制器52，DAC数模转换电路53，顶部加热器驱动电路54，底部加热器驱动电路55，温度传感器信号处理电路56，ADC模数转换电路57，其中：

参数设置模块51用于测试人员输入温度参数，将输入的温度参数发送至MCU控制器52。参数设置模块51可以采用按键或旋钮，也可以配置液晶显示屏用于人机交互，还可以设置与上位机连接的接口，测试人员通过上位机进行参数设置。

MCU控制器52用于根据设置的温度参数以及预设的温度-电压映射关系，获取对应的数字化电压值，生成数字化的顶部电压控制参数和底部电压控制参数发送给DAC数模转换电路53；接收ADC模数转换电路57发送的顶部温度值和底部温度值所对应的温度数字量，通过计算与设置温度参数对应的温度数字量之间的差值，调整顶部电压控制参数和底部电压控制参数。

DAC数模转换电路53用于根据所接收到的顶部电压控制参数和底部电压控制参数生成两路电压值，分别作为顶部基准电压和底部基准电压发送给顶部加热器驱动电路54和底部加热器驱动电路55。

顶部加热器驱动电路54用于向顶部加热器2提供电能，其输出功率由DAC数模转换电路53发送的顶部基准电压控制，顶部基准电压越大，输出功率越大。

底部加热器驱动电路55用于向底部加热器4提供电能，其输出功率由DAC数模转换电路53发送的底部基准电压控制，底部基准电压越大，输出功率越大。

温度传感器信号处理电路56用于接收顶部温度传感器2和底部温度传感器4发送的顶部温度值和底部温度值，并发送给ADC模数转换电路57。

ADC模数转换电路57将所接收到的顶部温度值和底部温度值分别转换为温度数字量，发送给MCU控制器52。

根据以上说明可知，本实施例中控制模块实现了信息闭环，闭环流程是：MCU信息设置→MCU控传输数字量给DAC最终控制加热器发热→温度传感器采集电阻的温度→温度模拟量被ADC转换为数字量→ADC将温度数字量转发给MCU→MCU调整电压控制参数，从而达到恒温的目的。

在控制模块5中，还可以设置一个定时器，用于对加热时间进行控制，或者可以设置温度参数随时间变化。定时器的时间参数设置和温度参数设置类似，采用输入模块进行设置即可。本实施例中定时器采用RTC实时时钟芯片。

就电源模块而言，本实施例中电源模块包括市电接口、市电转换模块和电源管理电路，其中市电接口用于连接市电，市电转换模块用于将市电转换为直流电，电源管理电路对直流电进行处理根据各用电模块的实际需要生成不同电压输出至对应用电模块。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种元器件可调恒温高温测试设备，其特征在于包括顶部加热器、顶部温度传感器、底部加热器、底部温度传感器、控制模块、电源模块，其中：

顶部加热器和底部加热器分别固定于待测元器件测试电路板的上方和下方，二者同时工作，对待测元器件测试电路板进行加热，顶部加热器和底部加热器的加热功率由控制模块进行控制；

顶部温度传感器用于采集顶部加热器的温度并发送给控制模块；

底部温度传感器用于采集底部加热器的温度并发送给控制模块；

控制模块用于根据设置的测试温度控制顶部加热器和底部加热器的加热功率，并根据顶部温度传感器和底部温度传感器上报的顶部加热器温度、底部加热器温度与测试温度之间的温差，对顶部加热器和底部加热器的加热功率进行调整，以使实际测试温度保持在所设置的测试温度误差范围内；

电源模块用于向顶部加热器、顶部温度传感器、底部加热器、底部温度传感器和控制模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的元器件可调恒温高温测试设备，其特征在于，用于对所述待测元器件测试电路板、顶部加热器、底部加热器、顶部温度传感器和底部温度传感器进行固定的固定装置包括滑块、导轨、顶部发热桩、底部发热桩和底板，其中滑块固定在顶部发热桩上，滑块可沿导轨上下移动，从而带动顶部发热桩上下移动，导轨和底部发热桩均固定于底板上，顶部发热桩和底部发热桩在竖直方向上相对设置；顶部加热器和顶部温度传感器固定于顶部发热桩内部，顶部发热桩的下表面设置有开口；底部加热器和底部温度传感器固定于底部发热桩内部，底部发热桩的上表面设置有开口；底板上设置有螺纹孔，待测元器件测试电路板通过螺柱固定在底板上，该螺柱高度等于底部发热桩高度，从而令待测元器件测试电路板的下表面与底部发热桩的上表面贴合，在进行测试时移动滑块使顶部发热桩的下表面与待测元器件测试电路板的上表面贴合。

3.根据权利要求1所述的元器件可调恒温低温测试设备，其特征在于，所述顶部制冷桩和底部制冷桩采用硬质耐高温隔热材料。

4.根据权利要求1所述的元器件可调恒温高温测试设备，其特征在于，所述顶部加热器和底部加热器采用电阻式加热器。

5.根据权利要求1所述的元器件可调恒温高温测试设备，其特征在于，所述控制模块包括参数设置模块，MCU控制器，DAC数模转换电路，顶部加热器驱动电路，底部加热器驱动电路，温度传感器信号处理电路，ADC模数转换电路，其中：

参数设置模块用于测试人员输入温度参数，将输入的温度参数发送至MCU控制器；

MCU控制器用于根据设置的温度参数以及预设的温度-电压映射关系，获取对应的数字化电压值，生成数字化的顶部电压控制参数和底部电压控制参数发送给DAC数模转换电路；接收ADC模数转换电路发送的顶部温度值和底部温度值所对应的温度数字量，通过计算与设置温度参数对应的温度数字量之间的差值，调整顶部电压控制参数和底部电压控制参数；

DAC数模转换电路用于根据所接收到的顶部电压控制参数和底部电压控制参数生成两路电压值，分别作为顶部基准电压和底部基准电压发送给顶部加热器驱动电路和底部加热器驱动电路；

顶部加热器驱动电路用于向顶部加热器提供电能，其输出功率由DAC数模转换电路发送的顶部基准电压控制，顶部基准电压越大，输出功率越大；

底部加热器驱动电路用于向底部加热器提供电能，其输出功率由DAC数模转换电路发送的底部基准电压控制，底部基准电压越大，输出功率越大；

温度传感器信号处理电路用于接收顶部温度传感器和底部温度传感器发送的顶部温度值和底部温度值，并发送给ADC模数转换电路；

ADC模数转换电路将所接收到的顶部温度值和底部温度值分别转换为温度数字量，发送给MCU控制器。

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