干货分享 |  开关电源测试项目以及方法

创易栈 2018-04-26 16:05:19

开关电源作为现代电子技术必备的一种电源,具有效率高、体积小、可升降压、可输出负压等诸多优点。但是实际使用过程中,很多设计人员忽略了开关电源的测试项目,或者对测试项目不了解,导致很多电源产品设计出来以后不符规范、或者功能、性能、寿命不达标,需重新设计。今天,小编就以测试工程师的角度,汇总一下开关电源所需要的测试项目以及测试规范。


一、测试项目汇总

以下是作者统计的20项测试内容,部分公司的规范可能比下表更多:

序号

测试项目

备注

1

功率因数和效率测试

必测

2

能效测试

必测

3

浪涌电流测试

大功率必测,小功率根据需要测试

4

电压调整率

必测

5

 负载调整率

必测

6

纹波及噪声测试

必测

7

上升时间和保持时间

必测

8

下降时间

必测

9

开机延迟时间

必测

10

输出过冲幅度

必测

11

输出暂态响应测试

必测

12

过流保护测试

必测

13

短路保护测试

必测

14

   输出过压保护测试

必测

15

输入电压变动测试

必测

16

电源开关循环测试

必测

17

元件温升测试

必测

18

高温、低温、湿度测试

必测

19

绝缘阻抗测试

根据需要测试

20

EMC测试

根据需要测试


二、测试项目以及方法

1. 功率因数和效率测试

1) 目的

功率因数和效率都是指电源的利用率,但区别还是很大的:
(1) 计算方式:功率因数是指输入的视在功率与输入有功功率之比,效率是指输入有功功率和输出有功功率之比;

(2) 承担者:功率因数损耗一般是由电力部门承担,效率一般是由用户承担。

这两种指标是衡量开关电源质量的主要参数。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、功率表、数字式电压表。


3)  测试方法

(1) 依规格设定测试条件: 输入电压, 频率和输出负载;

(2) 从功率计读取输入功率Pin值和功率因数 PF 值, 并读取输出电压, 计算输出功率Pout;

(3) 效率=Pout / Pin*100%。

2.png

图1 功率因数和效率测试示意图


2. 能效测试

1) 目的

能效就是电子设备在各个工况条件下的效率之和的平均值,其意义更加接近用户实际使用的真实能耗。其定义为:空载、 25%、50%、75%、100%负载时的效率,然后总和除4。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、功率表、数字式电压表。


3) 测试方法

(1) 在测试前将产品放在其标称输出负载条件下预热30分钟;

(2) 按负载由大到小顺序分别记录入功率(Pin),输入电流(Iin),输出电压(Vo), 功率因素(PF),然后计算各条件负载的效率;

(3) 在空载时仅需记录输入功率(Pin)与输入电流(Iin);

(4) 计算空载、 25%、50%、75%、100%负载时的效率,然后总和除4。所得的值就是能效值。


3.浪涌电流测试

1) 目的

浪涌电流的危害包括:电源输入熔断器熔断、机械开关或断路器粘连失效、插入插座时产生打火现象、电源前端接入的整流桥容易被击穿损坏、电网波形瞬间下跌等,因此大功率的开关电源都需要测试该项指标。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、功率表、高压测试仪。


3) 测试方法

(1) 设置额定输入电压和最大输出功率;

(2) 示波器的两个通道分别测试输入电流和输出电压,并且设置为单次触发模式。

(3) 以上设定完成后 POWER ON, 找出 TRIGGER 动作电流值,  阻抗要求值依安规标准要求定义。

注意:冷开机需在低(常)温环境下且电容放电完毕,电荷须放尽, 以及热敏电阻亦处于常温下, 然后仅能第一次开机, 若需第二次开机须再待电荷放尽才可再开机测试。

(4)示波器需要使用隔离探头。


4. 电压调整率

1) 目的

电压调整率,是指测试输出负载一定而输入变动时, 其输出电压跟随输入变动之稳定性(常规定义≤1%),该指标是衡量开关电源的稳定性的重要指标之一。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、数字式电压表。


3) 测试方法

(1) 设置输出负载为额定负载;

(2) 调整输入电压 AC LINE和频率 FREQUENCY 值;

(3) 记录待测品输出电压值是否在规格内;

(4) 电压调整率  

3.png


5.负载调整率

1) 目的

电源负载的变化会引起电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化较小,通常指标为3%--5%。负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源输出接负载时电压降较小。负载调整率=额定电流范围内电压变化量/额定电压*100%。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、数字式电压表。


3) 测试方法

(1) 依规格设定测试输入电压和频率值.;

(2) 调整输出负载 LOAD 值;

(3) 记录待测品输出电压值是否在规格内;

(4) 负载调整率=额定电流范围内电压变化量/额定电压*100%。


例如某5V直流稳压电源的输出电流从0增加到最大电流1A,它的输出电压从5.00V降到4.50V,降落值0.5V除以标称输出电压5V,得到10%,这就是该电源的负载调整率。


6.纹波及噪声测试

1) 目的

测试直流输出电压的纹波 RIPPLE 及噪声 NOISE,纹波和噪声是开关电源最重要的参数之一,过大的纹波和噪声可能会影响电路的正常工作。通常定义纹波为≤输出电压的1%。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 可通过示波器的观察来判别,纹波一般跟电源的开关频率同步,噪声的频率比较高;

(2) 用示波器的交流耦合档位;

(3) 带宽限制成20MHz;

(4) 把示波器探头的地夹线去掉,用探针和裸露的地靠接电源的输出,观察输出的波形。

4.png

图2  开关电源的纹波和噪声实测图

 

7. 上升时间和保持时间

1) 目的

为避免电力公司供电中于少了半周或一周之状况下而受影响, 这里是指正弦波如果掉一个周期(50HZ),一个周期就是20ms。在这种情况下,希望对电源输出没有影响,所以一般的开关电源需要上升时间,测试上电时,输出从 10% ~ 90% 电压值的上升时间(常规定义为≤20mS). 同理,保持时间就是保持时间为电源供应器从输入切断电源起到其输出电压下降到稳压范围外为止的时间,以一输出为5V的电源供应器为例,保持时间为从关机起到输出电压低于4.75V为止的时间,一般值为17ms或20ms以上,上升时间和保持时间都是为了避免电力公司供电中于少了半周或一周之状况下而受影响。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 依规格设定输入电压、频率、负载 ;

(2) 示波器的 CH1 接 Vo, 并设为触发模式, 触发电平设定在 Vo 的 60% ~ 80% 较为妥当, TRIGGER SLOPE 设定在 "+", TIME/DIV 和 VOLTS/DIV 则视输出电压情况而定;

(3) 用示波器中 "TIME", 量测待测品各组输出从电压 10% 至 90% 之上升时间。同理可测试保持时间。


8.下降时间

1) 目的

每个电源产品的应用场合不一样,所以对下降时间的要求也会不一样,例如需要数据保存的场合就希望下降时间长一些;涉及掉电后人身安全的场合,就希望掉电时间尽量的短。规范中没有对下降时间提要求,一般是根据应用场合选择。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 依规格设定输入电源、负载、和频率。

(2) SCOPE 的 CH1 接 Vo, 并设为 TRIGGER SOURCE, LEVEL 设定在 Vo 的 60% ~ 80% 较为妥当, TRIGGER SLOPE 设定在 "-", TIME/DIV 和 VOLTS/DIV 则视输出电压情况而定;

(3) 用 CURSOR 中 "TIME", 量测待测品各组输出从电压 90% 至 10% 之下降时间。


9.开机延迟时间

1) 目的

规范中虽然没有对电源的开机延迟时间进行规定,但是实际使用过程中,如果一个电源上电数十秒都没有输出,就会引出用户不必要的误解,引出常规定义开机延迟时间<3秒,其定义为:测试POWER ON 时, 输入电压 AC LINE 与输出之时间差。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 设置额定输入电压和最大输出功率;

(2) 示波器的两个通道分别测试输入电源和输出电源电压。触发信号设置为60%~80%;

(3) 使用示波器的“TIME”功能测试两个电压的时间差。

注意:测试前电源需要静置30分钟以上,因涉及到高压,因此需要使用隔离探头。


10. 输出过冲幅度

1) 目的

开关电源由于刚上电瞬间,反馈电路来不及调节,会有一定的过冲,如果过冲太大的话,将会影响后级的电路,甚至损坏设备。如果没有特别的说明,一般定义过冲幅度不得超过额定电压的10%。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 设置额定输入电压和最大输出功率;

(2) 示波器设置为电压上升触发,触发电平为额定电压的60~80%;

(3) 开关机十次,测试每次的过冲幅度,过冲幅度F %=△V / Vo *100%;

注意:测试前电源需要静置30分钟以上,因涉及到高压,因此需要使用隔离探头。


11. 输出暂态响应测试

1) 目的

用户都希望使用开关电源时,即使负载突然变化,其输出电压也维持基本不变,输出负载快速变化时, 其输出电压跟随变动之稳定性就是输出暂态响应。一般规定,输出电压的最大和最小值不超过额定值的10%。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 设置额定输入电压和频率;

(2) 电子负载设置负载大小和频率以及上升斜率;

(3) 使用示波器跟踪输出电压的电压值。


12.过流保护测试

1) 目的

过流保护是开关电源的最基本的要求,测试输出电流过高时是否保护, 保护点是否在规格要求內, 及是否会对样品造成损伤。(常规定义过流点为输出额定负载的1.2-2.5倍)。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 将待测组输出负载设在 MAX. LOAD;

(2) 以一定的斜率 (通常为1.0A/S) 递增, 加大输出电流直至电源保护, 当保护后, 将所加大之电流值递减, 视其输出是否会自动复位;

(3) 示波器 CH2 接上 CURRENT PROBE, 以 PROBE 检测输出电流.;

(4) 示波器CH1 则接到待测输出电压, 监测输出电压。


13.短路保护测试

1) 目的

短路保护是开关电源最重要的一项功能,主要是防止损失进一步蔓延,测试输出端在开机前或在工作中短路时, 产品是否有保护功能。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器、低阻抗短路夹。


3) 测试方法

(1) 设置额定输入电压和最大输出功率;

(2) 输出相互短路或对地短路, 侦测输出特性;

(3) 开机后短路,短路后开机,各十次.。

注意:当短路排除之后, 检测待测品是否自动恢复或需重新启动,并测试产品是否正常或有无零件损坏(产品要求应正常),并且产品不能有安全危险产生。


14.输出过压保护测试

1) 目的

输出过压保护功能也是开关电源重要的参数,主要是为了防止电源异常输出过高电压时,对后级设备进一步的破坏,测试输出电压过高时是否保护, (常规定义:Vout<12V,过压保护点为1.8倍输出电压; Vout≥12V,.过压保护点为1.5倍输出电压)。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器、直流电源。


3) 测试方法

(1) 测试方式: 外加一可变电压于操作待测品的输出, 缓慢增大电压值, 找出过压保护 OVP 点,

(2) 示波器监测输出电压的电压值。观察达到过压点是否会输出保护。

注意: 测试过程产品不能有安全危险产生。


15.输入电压变动测试

1) 目的

测试输入电压在规格要求內变动时,是否会对产品造成损伤或输出不稳定。该指标是开关电源的重要指标之一。


2) 使用仪器

交流电源、电子负载、示波器。


3) 测试方法

(1) 将输出功率输出最大和最小负载;

(2) 将输入电压在规格规定范围内变动,测试输出电压值变动的最大值和最小值;

注意:输出电压的变动范围应该在规格规定值之内。


16.电源开关循环测试

1) 目的

开关电源随着使用时间的增加,存在可能无法启动的风险,该测试是测试电源是否能承受连续开关操作下的冲击。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器,定时开关。


3) 测试方法

(1) 设置额定输入电压和最大输出功率;

(2) 自动开关设置开机5秒、关机5秒,循环测试5000次;

(3) 测试过程中每完成1000周期时,记录产品的输入功率和输出电压。

注意:测试过程中或测试完成阶段, 待测品都需能正常操作且不应有任何性能降低情况发生。


17.元件温升测试

1) 目的

如果电源内部的元器件温度超过额定温度,其寿命会急速的下降,该测试是为了测试在规格操作环境, 电压, 频率和负载条件时, 元件的温升状况。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、示波器,混合记录仪(DR130)。


3) 测试方法

(1) 粘贴测试点在确定温升较高的器件;

(2) 设置额定输入电压、额定输出功率;

(3) 用混合记录仪记录元件的温升曲线, 待元件温升完全稳定后打印结果,并记录输入功率和输出电压。


注意:

 (1) 温升线耦合点应尽量贴着元件测试点, 温升线走势应尽量避免影响元件的散热;

 (2) 测试的样品应模拟其实际的或在系统中的摆放状态;

 (3) 针对于无风扇的产品, 测试时应尽量避免外界风流动对它的影响。


18.高温、低温、湿度测试

1) 目的

电源在极限温湿度条件下,其寿命和性能会很大的影响,该测试就是为了验证极限温湿度下的性能和寿命。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、功率表,温控室。


3) 测试方法

(1) 试验前记录待测品输入功率, 输出电压及 HI-POT 状况;

(2) 将确认后的待测品置入恒温恒湿机内, 依规格设定其温度和湿度,然后启动温控室;

(3) 试验 24Hrs, 试验结束后在空气中放置至少4Hrs,再确认待测品外观, 结构及电气性能是否有异常。


注意:  

(1) 产品试验期间与试验后,产品性能不能出现降级与退化现象;

(2) 试验后产品的介电强度与绝缘电阻测试需符合规格书要求。

 

19. 绝缘阻抗测试

1) 目的

绝缘阻抗涉及到电源的安规特性,甚至与人身安全有关,因此是一项必测项,测量待测物带电部件与输出电路之间的绝缘阻抗值. 常规定义:施加500V直流电压后进行测试的绝缘阻抗值要高于 10MOhm(常规定义)。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、功率表、高压测试仪。


3) 测试方法

(1) 确认好电气性能后, 在绝缘阻抗测试仪中设定好施加的电压(500Vdc)和测试的时间(1Minute);


(2) 将待测物输入端和输出端分别短路连接, 然后分别连接测试仪对应端进行测试;

注意:阻抗要求值依安规标准要求定义。


20.   EMC测试

1) 目的

EMC测试主要有2个目的:第一,使得电源的辐射强度在规定值之内,第二,电源的抗干扰能力在规定值之内。如果EMC性能不达标,可能会影响别的设备,或者容易被别的设备干扰。


2) 使用仪器

输入电源、电子负载、EMC暗室。


3) 测试方法

具体测试方法按照该电源所遵循的规范,如国标、欧标等。


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