曾智強 董紀清

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

功率電感器是目前開關(guān)電源電路中應(yīng)用最廣泛的磁件之一。功率電感器的關(guān)鍵參數(shù)包括了電感的溫升電流、直流電阻、直流損耗等。目前，完成全部參數(shù)的測量需要多種儀器和電路組合，并且需要人工實時調(diào)整測試系統(tǒng)。由于溫升電流屬于慣性系統(tǒng)，每次測試時需要不斷的調(diào)整測量電路參數(shù)，測量狀態(tài)穩(wěn)定后才能得到測量參數(shù)，所以測量需要耗費大量的人力、物力。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)功率電感器關(guān)鍵參數(shù)的快速、準確測量，提高磁心生產(chǎn)廠家測試高頻參數(shù)的效率，同時也可以為高頻磁心使用者，如電源生產(chǎn)廠家和研發(fā)單位等提供高頻磁心參數(shù)測量數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計總方案

該測量裝置以PIC16F877A 單片機為控制核心，主要由采樣單元、可編程直流源、電感測試平臺、顯示單元、環(huán)路反饋控制單元、上位機通信單元這六部分組成。本設(shè)計所要測量的功率電感器的關(guān)鍵參數(shù)包括了溫升電流、直流電阻和直流損耗。整個系統(tǒng)的工作過程是用一臺可編程直流源給電感通以直流電流，然后再通過電流采樣、電壓采樣、溫度采樣將其送入PIC16F877A 單片機中進行A/D 轉(zhuǎn)化，處理后再控制液晶實時顯示通過電感的電流、兩端的電壓、電阻以及溫升，同時與PC 機進行通信。國際上通用的IEC 標準規(guī)定用測量直流電流的方法來衡量高頻電感的溫升，而電流的大小需要環(huán)路反饋控制單元采用PID 算法給出。如圖1為電感關(guān)鍵參數(shù)測量裝置總結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

2 電路部分

2.1 電壓采樣模塊

由于功率電感器的工作頻率較高，繞組匝數(shù)少，所以它的直流電阻為毫歐級別，兩端的電壓信號很小，需要對其進行放大處理。對于微弱電壓信號的采樣，抑制噪聲和干擾，提高采樣精度和分辨率是非常關(guān)鍵的。如圖2所示為電壓采樣單元，主要分為三個部分。第一部分為電壓跟隨器，其輸入電阻高、輸出電阻低可以解決輸入阻抗不平衡的問題。同時，為了使負載不影響濾波特性，在輸出端也增加了一個電壓跟隨器。第二部分為差分放大電路，它對共模噪聲具有很強的抑制作用，并且能減小運放的溫漂。第三部分為放大電路，提高了對電壓信號的放大能力。根據(jù)圖2所示電路可以得到

根據(jù)上述電壓采樣單元的設(shè)計，取合適的電阻值使得電壓采樣單元的額定放大倍數(shù)為100 倍。利用saber 對電壓放大模塊進行仿真，其結(jié)果如圖3所示。其放大效果曲線的特性符合設(shè)計要求。

圖2 電壓采樣模塊

圖3 電壓放大模塊仿真曲線

2.2 電流采樣模塊

考慮到本系統(tǒng)所測量的溫升電流為直流電流且最大電流可達到70A 左右，不適合用采樣電阻的方法進行采樣，否則溫升會影響阻值產(chǎn)生變化并且損耗過大，故采用霍爾電流傳感器對電流進行采樣。本設(shè)計選擇的電流傳感器型號為：LEM LTS 25-NP，其額定電流為25A。它具有測量精度高、過載能力強、測量范圍廣、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕的優(yōu)點。輸出電壓的計算公式為

式中，Ip為如圖4所示為Proteus 的電流采樣仿真結(jié)果。

圖4 電流采樣仿真結(jié)果

2.3 溫度采樣模塊

功率電感器磁心溫度的測量方法：工程上為了方便起見一般選用磁心的頂部中心位置作為測量點，有的時候也在磁心表面選擇幾個點，測量各點的溫度，然后求其平均值作為磁心的溫度。本系統(tǒng)的溫度采樣選擇max6675 和K 型熱電偶進行接觸式測溫。熱電偶可將溫度量轉(zhuǎn)換成電量進行檢測，對于溫度的測量、控制，以及對溫度信號的放大、變換等都很方便，可彎曲安裝。MAX6675 將K 型熱電偶中的模擬信號轉(zhuǎn)化為12 位數(shù)字信號供單片機讀取，溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系為

圖5為MAX6675 的典型應(yīng)用電路。圖6為Proteus 的溫度采樣仿真電路。

圖5 MAX6675 的典型應(yīng)用電路

圖6 MAX6675 的仿真電路

3 軟件部分

圖7 主程序工作流程圖

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要由1 個主程序和6 個子程序（電壓、電流采樣子程序、讀溫度子程序、D/A轉(zhuǎn)化子程序、LCD 顯示子程序、PID 計算及控制子程序、上位機通信子程序）組成。流程圖如圖7所 示。工作流程：系統(tǒng)上電后，主程序先作系統(tǒng)初始化，接著分別調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序、PID 計算（圖8）及控制子程序和LCD 顯示子程序、上位機通信子程序等操作，如此周而復(fù)始地循環(huán)工作。圖9為電感溫升控制器的PID 控制原理圖。

圖8 PID 算法工作流程圖

圖9 電感溫升控制器的PID 控制原理圖

4 結(jié)果測試

利用VB 編寫一個人機界面，可以顯示電流、電壓、溫度以及直流電阻等功率電感器的關(guān)鍵參數(shù)。當直流電流I流過電感時，電感兩端的電壓為U，則電感的損耗皆為直流損耗，其大小為：P=U×I。旁邊的實時曲線圖，可以實時監(jiān)測溫度隨時間的變化情況。如圖10 所示，采用某知電感公司生產(chǎn)的HCF1305 型號電感作為測試對象，環(huán)境溫度為24℃， 溫升基準值設(shè)置為36℃，則功率電感器的表面溫度應(yīng)升高到60℃。一開始由于由于系統(tǒng)中溫度的調(diào)整遠遠滯后于電流的調(diào)整，所以在前面溫度變化不明顯，隨后經(jīng)過PID 調(diào)整后很快（大約在150s 的時候）便達到基準值，并保持不變。在700s 的時候?qū)㈦娏髟磾嚅_，功率電感器的溫度便又降為環(huán)境溫度。

圖10 上位機界面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件的設(shè)計已基本完成，設(shè)計并制作了一套功率電感器關(guān)鍵參數(shù)測量的樣機，可以實現(xiàn)電感溫升電流、直流損耗、直流電阻等關(guān)鍵參數(shù)的全自動、快速和精確的測試，具有友好的人機后臺處理界面，能夠?qū)崟r地將系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)顯示給測量者，方便測量者對測量過程以及測量的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。

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