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

        2019-10-30 01:39:48卜明磊
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年27期

        卜明磊

        摘? 要:目前,針對實(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變換器測試系統(tǒng),并對其實(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:測試系統(tǒng);DC/DC變換器;浪涌電流

        中圖分類號:TM46? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號: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)升級簡單,在現(xiàn)代社會發(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。在對系統(tǒng)進(jìn)行測試中,測試參數(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,一般來說,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)載變化速度過快的情況下,DC/DC變換器對負(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)的輸出過沖與連續(xù)振蕩。暫態(tài)響應(yīng)可以被視為是過沖電壓恢復(fù)時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù),過沖電壓越小恢復(fù)時(shí)間越短,說明了DC/DC變換器的響應(yīng)能力越好。

        1.1.4 過電保護(hù)。DC/DC變換器過電保護(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)的部分元件可能會產(chǎn)生異常輸出高電壓的情況,過電保護(hù)功能可以據(jù)此做出正確反應(yīng),并實(shí)現(xiàn)對系統(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。一般來說,通過調(diào)整電壓可實(shí)現(xiàn)輸出電流值的調(diào)整。雖然國際上對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,要著重對其進(jìn)行優(yōu)化。一般來說,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。大的浪涌電流會對系統(tǒng)內(nèi)部臨近電路造成電磁干擾,甚至還會引起逆流電路斷路器跳閘,或者使用固態(tài)功率控制器過流保護(hù)失控。

        1.2 關(guān)鍵技術(shù)

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

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

        2.1 設(shè)計(jì)原理

        DC/DC變換器測試平臺系統(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、信號采集電路、電流和電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等。軟件平臺設(shè)計(jì)主要是基于測試平臺的虛擬軟件的應(yīng)用程序。測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體以虛擬儀器軟件作為核心,并對整個(gè)測試平臺進(jìn)行控制。主要的內(nèi)容包括了模擬電子負(fù)載控制、測試輸入電源控制、參數(shù)設(shè)計(jì)、流程控制與結(jié)果顯示與存儲。在測試中,使用虛擬儀器平臺可以實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載與程控電源的直接控制,對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)整與存儲的方式,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能的存儲和調(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)對最終質(zhì)量所產(chǎn)生的影響,并根據(jù)測試的結(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、紋波與噪聲和過電保護(hù)的測試??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),并對其輸入和輸出的電流與電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,通過進(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)測試的精準(zhǔn)度,工作人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)中,要著重對硬件設(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,測試結(jié)果不會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)開啟的模擬信號采集通道可達(dá)16個(gè),并能通過通道軟件選擇對應(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)主要使用了測試平臺環(huán)境,采用圖形化編程語言,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)了軟件平臺的模塊劃分,根據(jù)不同的測試項(xiàng)目進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì),提高了整體測試的靈活性。

        以電源調(diào)整率檢測模塊為例,在對這一軟件進(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)會作出相應(yīng)的反應(yīng)。軟件程序的檢測邏輯為:虛擬軟件平臺通過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 測試實(shí)例

        本次研究工作中,選擇的待測試的設(shè)備是由法國某公司生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)型號變換器設(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)模塊的功能性測試,因?yàn)闇y試軟件本身并沒有數(shù)據(jù)庫直接訪問的功能,所以在進(jìn)行系統(tǒng)測試中,要應(yīng)用Lab VIEW當(dāng)中的數(shù)據(jù)庫訪問工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問,獲取測試所需要的各種數(shù)據(jù)。將復(fù)雜的底層數(shù)據(jù)庫操作進(jìn)行封裝,轉(zhuǎn)變成為系列性的Lab SQL VI模式,可以使操作更加簡單,測試得到的數(shù)據(jù)與結(jié)果經(jīng)過處理之后,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)委托方的測試要求完成對DC/DC變換器的合格性判定,同時(shí)避免了單臺手動(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。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]陳娣,李丹佳,朱廷偉.基于PXI總線的姿態(tài)角變換器高精密測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].宇航計(jì)測技術(shù),2015,35(02):17-21.

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