電源測試中的白盒測試

本文將詳細介紹電源測試中的白盒測試，包括輔助電源測試、驅動電路的測試、功率半導體器件的應力測試、磁性器件的測試、DC/DC反饋環測試、PFC性能測試等。

1、  輔助電源測試

測試說明：

電源中輔助電源有重要意義，電源模塊的正常工作靠輔助電源來保障，輔助電源工作要比主電路要求更可靠，因為即使在輸入電壓超限的條件下，輔助電源還要正常工作，以實現正常的保護邏輯，而且功率器件的驅動，控制芯片的工作都要靠輔助電源來保障，因此，對輔助電源的要求是：無論在動態的情況下還是在靜態的情況下，必須穩定可靠，輸出電壓穩定，以滿足控制和通訊電路的要求。測試工作中要充分關注輔助電源。

測試方法：

輔助電源要關注以下幾個問題：

A、 啟動電阻設計是否合理，限流電阻（輔助電源的輸入與高壓直流母線排串聯的電阻）設計是否合理；

B、 靜態的情況下，輔助電源的電壓是否在全電壓、負載內；

C、 大動態的情況下，輔助電源是否正常；

D、 啟動過程中輸出電壓是否出現過沖，384X Isence端及驅動波形是否異常；

E、  輸出電壓波形監測；

F、  開關管的電應力測試；

G、 輔助電源的溫度應力測試；

H、 芯片的工作主要參數，如工作電壓、功耗等。

針對這些問題，需要測試相應項目：

A、 啟動電阻和限流電阻測試

啟動電阻的功率降額必須滿足設計要求，計算功率的公式為：P=(Vmax-V1)/R,其中Vmax為輔助電源在各種情況下最大的輸入電壓，V1為輔助電源控制芯片正常工作電壓，計算出來的功率不能超過選用的啟動電阻的功率，同時啟動電阻的溫升必須滿足降額要求。在最高的環境溫度、輔助電源最高的輸入電壓Vmax下，正常工作時，啟動電阻的最高溫度不超過120℃（15℃的降額，135℃-15℃=120℃），如果在常溫下測試，測試溫升需要轉換到最高工作環境溫度。

限流電阻的功率也要滿足降額的要求，用示波器測試正常情況下，滿載開機，滿載關機情況下電阻兩端的電壓波形，通過電壓波形，測試出電阻兩端的電源有效值，根據有效值計算電阻的功率，要求功率在開機和關機以及正常情況下要滿足降額要求。

B、 靜態的情況下，輸出電壓范圍測試

測試模塊輸入電壓分別為Vinmin，Vinnom，Vinmax和輸出Iomin，Ionom，Iomax,輸出限流點，輸出深度限流狀態下的輔助電源每一路輸出電壓，要求每一路輸出電壓在每一種情況下都保持穩定，而且能夠滿足控制回路和通訊回路的可靠工作要求（注意：Vinmin為輔助電源剛剛開始工作的電壓，Vinmax為模塊輸入過壓保護后的電壓，過壓保護和欠壓保護以后，模塊都能正常工作）。

C、 動態的情況下，輔助電源輸出電壓范圍：

用AC SOURCE調節模塊的輸入電壓和輸出負載同時跳變（輸入電壓在最高電壓和最低輸入電壓之間跳變，跳變時間為50ms，輸出從空載到滿載跳變，跳變時間為5ms，tr和tf設置為20us對應1A），在這種情況下，測試輔助電源各路輸出電壓，要求每一路輸出電壓都能保持穩定，而且能夠滿足控制回路和通訊回路的可靠工作要求。

D、 關鍵點波形測試：

分別在輸入過壓點-5V、欠壓點+5V啟動時測試輸出電壓波形，3844 Isence端及開關管驅動波形，監測是否出現輸出電壓過沖、開關管過流及開關管驅動端波形異常等情況。同時在各種狀態的情況下，各個關鍵點的波形測試。

E、  輸出電壓紋波測試：

輸出額定線性負載情況下，用測試電壓紋波的方法測試輸出電壓波形，其紋波P-P值應小于5%輸出電壓。

判斷標準：

以上測試項目作為檢測輔助電源性能的測試。啟動電阻溫升正常，未出現開關管電流及驅動波形異常，在工作范圍內輔助電源電壓正常，在異常電壓輸入范圍輔助電源正常，合格；否則不合格。

2、  驅動電路的測試

測試說明：

功率器件的驅動技術是電源可靠性的重要保障，好的驅動方式能夠實現有效的開通和關斷，高效率，低的EMI干擾，快速實現功率器件的保護等功能，測試中應對功率管驅動進行測試，為了防止由于探頭引起的影響，測試中用應采用差分隔離探頭，并注意以下問題：

A、 驅動電路分析；

B、 驅動電壓；

C、 驅動波形；

D、 瞬態情況下驅動波形；

E、  驅動芯片的電壓，如起機過程中的芯片供電電壓等。

測試方法：

（1）       驅動電路分析

審核驅動電路方式，無論變壓器隔離驅動和集成IC驅動，驅動電阻應滿足推薦要求，如果采用加速電容或快速關斷方式時應評估其作用，負壓關斷時應確認其影響，一般情況下GS應有穩壓管，分析驅動電路，確認電路設計合理性。

（2）       驅動電壓

目前，公司的大部分的開關管都是使用MOSFET或IGBT，MOSFET和IGBT的驅動都是使用電壓方式，高的驅動電壓會擊穿柵極，測試在空載、半載、滿載、限流狀態、空載滿載跳變、空載到限流跳變、空載到深度限流跳變，空載到短路及輸入電壓為最低、額定、最高，從最高電壓到最低電壓跳變條件下的驅動波形，要保證驅動電壓低于規定電壓，一般峰值應小于20V，同時注意驅動電壓要滿足飽和驅動。

（3）       驅動波形

測試在空載、輕載、半載、滿載、限流狀態、空載滿載跳變、空載到限流跳變、空載到深度限流跳變，空載到短路及輸入電壓為最低、額定、最高，從最高電圧到最低電壓跳變條件下的驅動波形，波形的上升和下降沿應平滑，且滿足效率和EMI要求，開通中不應有下跌，關斷后不會出現尖沖，死區時間滿足設計要求。

對比PWM芯片輸出波形和驅動波形，確認驅動波形和PWM輸出波形一致。

（4）       驅動回路

功率器件（MOSFET和IGBT）驅動電源要求低的阻抗特性，驅動回路面積盡可能小，驅動線盡量短，且驅動回路必須與功率回路分開。

（5）       瞬態狀態下的波形

在瞬態條件下，如開關機、輸出突加負載、突減負載，由限流態到穩壓態的轉換，從穩壓到限流態的轉換，輸出短路，短路開機，輸出短路放開的情況下驅動正常。由保護到恢復的過程中，驅動正常，波形的上升和下降沿應平滑，開通中不應由下跌，關斷后不會出現尖沖，死區時間滿足設計要求，驅動波形不應出現震蕩現象。

判定標準：

符合測試說明，合格；否則不合格。

（6）       主控制芯片供電電壓的測試

用示波器測試主要的控制芯片的供電電壓，捕捉模塊上電過程、關機的過程以及正常工作情況下芯片供電電壓的波形，芯片供電電壓必須滿足芯片資料的要求，同時最好工作在芯片資料推薦的工作電壓下，任何情況都不能出現超過芯片工作電壓范圍的電壓芯片供電。

3、  功率半導體器件的應力測試

測試說明：

功率半導體器件主要包括：DCDC的主功率管、輸出整流二極管、PFC的主功率管、PFC的整流二極管、PFC的跨接二極管等。這些功率半導體器件的正確使用是電源可靠性的重要保證，為保證功率器件的合理使用，需要考慮合理的電流、電壓降額和結溫降額，故測試應在以下幾個方面注意：

A、 滿足電壓降額要求：

B、 滿足電流降額要求；

C、 滿足溫度降額要求

測試方法：

A、 測試功率半導體器件在最惡劣條件下的Vds電壓波形，確定最高電壓和最大尖峰電壓。由于Vds的電壓比較高，而且最大的電壓尖峰的頻率能夠達到30-40MHz,故一般的測試時，電壓尖峰小于300V的，可采用一般的示波器原配探頭，當電壓尖峰大于300V時，測試以高壓無源探頭的測試結果為準，測試的波形一般也不會失真。對于有源高壓探頭，因為貸款較窄，一般為20MHz,容易失真，不建議使用。

對于電壓應力的測試，主要測試在動態情況下的電壓應力，具體的測試條件如下：

（1）       輸入電壓為最高電壓，分別測試輸出空載、滿載、限流狀態、空載滿載跳變、空載到限流、空載到深度限流，空載到短路情況下，器件的電壓應力。改變輸入電壓，在最低輸入電壓和額定輸入電壓下重新以上的測試。記錄測試的最大應力，記錄超標的電壓波形。

（2）       輸入電壓在最大電壓和最下電壓之間跳變分別測試輸出空載、滿載、限流狀態、空載滿載跳變、空載到限流、空載到深度限流，空載到短路情況下，器件的電壓應力。

（3）       模擬系統上運行的情況測試下，在系統下，當模塊處于浮充狀態，監控使模塊變為均充，這時由于模塊電壓上升速度不一致，導致電壓上升較快的模塊瞬態承受過高的功率，同時模塊又沒法短路回縮，這時模塊的應力比較大，肯可能會導致器件應力超標。具體的模擬方法：如測試25A時，用100A的模擬和25A模塊并聯，然后帶100A的負載，調節100A模塊的輸出電壓為43A，25A模塊的電壓為42V，這時25A模塊沒法帶載輸出，突然調節25A模塊的電壓為58V，這時25A模塊電壓上升，從而瞬時帶100A的負載，測試這時的管子電壓應力。

B、 電流應力測試

測試功率器件在最惡劣條件下的Ids電流波形，確定最高工作電流和最大尖峰電流，具體的測試條件如下：

（1）       輸入電壓最低電壓，輸出電壓為最大，分別測試輸出滿載、限流、空載滿載跳變、空載到限流、空載到深度限流，空載到短路情況下，器件的電流應力。

（2）       輸入電壓載最大電壓和最小電壓之間跳變，分別測試輸出滿載、限流、空載滿載跳變、滿載到限流、空載到深度限流，空載到短路情況下，器件的電流應力。

具體可根據實際使用電路分析和測試，分別求出使用的最大額定電流。

C、 溫度應力

分別測試功率器件的最高溫升，溫升應該滿足降額要求。測試最高溫度下器件的殼溫是最直接的判據；作為替代方法可以測試常溫下的溫升△T，則器件的最高溫升為：

Tcasemax=Tenvmax+△T              Tjmax=Tcasemax+P*Rth

Tcasemax:最高殼溫；Tenvmax:最高環境溫度；Tjmax:最高結溫；P：器件的功耗；Rth：從結到殼的熱阻

測試時，溫度測試必須在最高的環境溫度下測試。

測試的條件為：輸入溫最低的輸入電壓，輸出為最大功率用多點溫度測試儀測試各個功率器件的溫升，同時打印溫度曲線，直到溫度曲線為平滑曲線為止。

同時必須測試風扇損壞時，在最惡劣情況下的溫度應力，也必須滿足降額要求。

判斷標準：

（1）       對于電壓應力，在各種條件下，滿足測試的最大Vds小于器件的額定工作電壓，合格；如果測試的最大Vds大于器件的額定工作電壓，項目組能夠出具體器件認證器件合格的《器件超額使用報告》，合格；否則不合格。

（2）       對于電流應力，在各種條件下，滿足測試的最大電流小于器件的額定工作電流，合格；如果測試的最大電流大于器件的額定工作電流，項目組能夠出具體器件認證器件合格的《器件超額使用報告》，合格；否則不合格。

（3）       對于溫度應力，必須由15℃的降額，也就是說，在最高的環境溫度下測試，器件的表面溫度必須小于（器件的額定結溫-15℃-P*Rth）,一般P*Rth取15℃，符合上述說明，合格；否則不合格。

4、  磁性器件的測試

測試說明：

電路中磁性元件主要在輸入共模電感、PFC電感、變壓器、濾波電感、輸出共模電感、驅動變壓器、諧振電感等處使用，起著EMI濾波及能量傳遞等作用，評價磁性元件應用是否恰當主要關注以下幾個方面：

A、 是否存在飽和現象

B、 溫升是否滿足要求，磁性溫升是因為鐵損和銅損造成。

常見的磁性材料有：鐵氧體、坡莫合金、非晶態合金等，根據其特性，分別應用在不同的場合。

正確的設計才能保證磁性元件應有的合理，由于隨溫度的變化磁芯的特性有較大的變化，最次最惡劣的條件下的驗證是必要的。

測試方法：

（1）       輸入和輸出共模電感

一般不會存在飽和問題，其主要作用是實現EMI要求，同時有抑制輸入的共模串擾的作用，其考慮主要是良好的絕緣，在要求頻段內的電感量，分步電容小，溫升滿足要求。前三點由EMC測試保證，溫升需要測試，測試常溫下最大電流條件下的溫升△T，以衡量設計的合理性。

（2）       PFC電感

PFC電感在功率回路中起能量傳遞的作用，雖然一般PFC控制芯片具有限流作用，但是電感的飽和降引起嚴重溫升和輸入電流波形畸變，因此需測試最惡劣條件下的工作情況。

A、 測試最低電壓輸入，最大功率輸出時的PFC電感電流波形，電流波形不會出現非正常的上翹，即不會飽和。

B、 降輸入電壓調整為在欠壓點+5V、過壓點-5V之間跳變，輸出調整為最大線性負載時，測試PFC電感電流波形，電流波形不會出現非正常的上翹，即不會飽和。同時，需要在最低輸入電壓時分別測試輸出滿載、限流、空載滿載跳變、空載到限流、空載到深度限流，電感電流的波形，判斷是否能夠滿足要求。

C、 在最低輸入電壓，最大輸出功率情況下，測試常溫下的溫升△T，應滿足溫升要求。

D、 在最低輸入電壓，最大輸出功率情況下，測試最高工作溫度下的溫升△T，與常溫比較無太大差異，且磁心溫度不會超標。

（3）       變壓器

隨電路拓撲不同，變壓器的要求也不同，不考慮集成磁情況，一般雙極性變壓器，單端正激類變壓器，單端反激類變壓器類型，且與具體采用的復位技術有關。

變壓器的飽和溫升問題是值得注意的問題，可以從以下方面考慮：

A、 變壓器最大輸入電流情況下的電流波形不應出現異常的上翹。

B、 將輸入電壓調整為在欠壓點+5V、過壓點-5V之間跳變，輸出調整為最大線性負載、空載之間跳變，測試變壓器的電流波形，電流波形不會出現非正常的上翹，激即不會飽和。同時，需要在最低輸入電壓時分別測試輸出滿載、限流、空載滿載跳變、空載到限流、空載到深度限流，電感電流的波形，判斷是否能夠滿足要求。

C、 在最低輸入電壓，最大輸出功率情況下，測試常溫下的溫升△T，應滿足溫升要求。

D、 在最低輸入電壓，最大輸出功率情況下，測試最高工作溫度下的溫升△T，與常溫比較無太大昌邑，且磁心溫度不會超標。

（4）       輸出濾波電感

輸出濾波電感工作在直流狀態下，電感量的大小影響主電路的工作穩定性和特性。

輸出濾波電感要求在最惡劣的情況下不出現飽和現象，溫升滿足要求。

A、 電感中流過最大電流情況下的電流波形不應出現異常的上翹。

B、 在最低輸入電壓，最大輸出功率情況下，測試常溫下的溫升△T，應滿足溫升要求。

C、 在最低輸入電壓，最大輸出功率情況下，測試最高工作溫度下的溫升△T，與常溫比較無太大差異，且磁心溫度不會超標。

判斷標準：

（1）       測試中電感或變壓器中電流在最惡劣狀況下不會出現飽和；

（2）       常溫下的磁性元件溫升和最高工作溫度下的溫升現象；

（3）       換算到最高溫度及最惡劣輸出狀態下磁性元件及其線包上的表面溫度不超過安規的規定。對于絕緣等級A(105度)，任何情況下，表面溫度不超過90度；對于絕緣等級B（130度），任何情況下，表面溫度不能超過110度；對于絕緣等級F（155度），任何情況下，表面溫度不能超過135度；對于絕緣等級H（180度），任何情況下，表面溫度不能超過150度。

（4）       磁性元件內部的溫升不能超過《器件認證降額規范》要求的降額。

5、  DC/DC反饋環測試

測試說明：

每種DC/DC主電路拓撲都有其典型的反饋校正網絡結構，合適的校正網絡不但可以得到穩定的靜態性能，而且可以獲得良好的動態特性，通過測試和調整可以獲得滿意的校正網絡。在閉回路下測得的系統開環傳遞函數，可以反應系統的穩定性，以及在不穩定的情況之下的調試趨勢。由于溫度對環路參數會導致一定的影響，故除了進行常溫下的環路測試以外，還必須進行高、低溫和濕度下進行環路測試。

6、  PFC性能測試

測試說明：

APFC技術隨著對電流諧波的要求將日益應用廣泛。公司目前主要應用UC3854和MC33368兩種芯片，其中UC3854為電流連續的平均電流型，MC33368為臨界電流型，輸入電壓范圍較小，功率也較小。

PFC中要考慮的問題主要有以下幾個方面：

A、 額定輸入，額定輸出狀態下的諧波能否滿足標準要求；

B、 驅動是否正常；

C、 電感是否滿足要求；

D、 電流波形細節的觀察；

E、  輸入電壓及諧波的適應性；

F、  輸入電壓的中斷，跌落和緩慢變化的適應性；

G、 輸入電壓尖峰，缺口和畸變的適應性；

H、 功率器件使用的合理性；

I、   PFC環路設計的合理性；

J、   輸入電壓跳變，輸出負載跳變；

K、  瞬態高壓輸入。

測試方法：

（1）       額定輸入、額定輸出情況下的諧波測試

輸入電壓諧波滿足要求時，使用功率分析儀測試額定輸入額定輸出條件下輸入電流諧波是否滿足IEC1000-3-2要求。

（2）       驅動電路的測試

見規范驅動電路分析及其波形測試。

（3）       磁性元件測試

見規范磁性元件測試。

（4）       電流波形細節觀察

電流波形細節觀察能夠發現設計的不合理，使用HP4149A示波器，用電流槍測試輸入電流波形，展開觀察正常情況下的電流波形，不應出現異常的脈沖寬度變化。在輸入諧波及電壓中斷、跌落和緩慢變化時，電流不會出現異常，PFC電壓正常，功率器件電流和電壓耐量符合要求；輸入電壓尖峰、缺口和畸變時，PFC電壓正常，功率器件電流和電壓耐量符合要求。

（5）       輸入電壓諧波的適應性

A、 輸入電壓頻率30Hz時，PFC工作無異常，能穩定運行；

B、 在3次諧波條件下，PFC穩定運行，電流波形無異?；?；

C、 在輸入電壓為最高和最低時，A，B條件下PFC能穩定運行；

D、 輸入THD《40%（包括3次、5次、7次、9次）時在輸入電壓為最高和最低時PFC能穩定運行；

E、  輸入電壓從最高到最低緩慢變化，中斷和跳變時，PFC能穩定工作；

（6）       輸入電壓的中斷，跌落和緩慢變化的適用性

A、 額定輸入條件下，輸入電壓的中斷、跌落和緩慢變化時，PFC輸出電壓及輸入電流是否正常；

B、 輸入電壓在最低、最高的中斷、跌落，以及從最低到最高的緩慢變化和跳變，PFC能穩定工作。

（7）       輸入電壓尖峰、缺口和畸變的適應性

A、 額定輸入時，小于峰值1.5倍電壓尖峰（每周期≤3個，從0值算起，《2ms）,100%的電壓缺口（每周期≤3個，《2ms）,PFC工作正常；

B、 輸入電壓最高和最低時，小于峰值1.5倍電壓尖峰（每周期≤3個，從0值算起，《2ms），100%的電壓缺口（每周期≤3個，《2ms）,PFC工作正常。

（8）       功率器件使用的合理性

見功率器件應力測試。

（9）       PFC環路設計的合理性

A、 電路分析

PFC控制有自己的特征，是一個雙環控制系統，其設計有相應特征，對比采用電路和典型，分析設計的合理性。

B、 反饋環測試見DC/DC的環路測試

C、 動態響應測試

PFC輸出電壓接高壓電子負載：

Ⅰ、作25%-75%的動態響應，輸出電壓變壓《5%；

Ⅱ、100%突加負載和100%卸載試驗，輸出電壓變化《10%；

Ⅲ、輸出額定負載，輸入在最大電壓和最小電壓之間跳變，PFC不應出現保護現象。

（10）   輸入電壓跳變，輸出負載跳變的適應性

將輸入電壓調整為在欠壓點+5V過壓點-5V之間跳變，輸出調整在最大線性負載、空載之間跳變。

在上述條件下，應能穩定運行，不出現損壞或其他不正?，F象，合格；否則不合格。若出現損壞情況，記錄故障問題，以提供分析損壞原因的依據。

（11）   瞬態高壓輸入

A、 額定電壓輸入，用雙蹤示波器測試輸入電壓波形和過壓保護信號，輸入電壓從220V跳變為300V，從示波器上讀出過壓保護前300V的周期數n，作為以下試驗的依據。

B、 輸入額定電壓，帶最大線性負載運行，在輸入上疊加300V的電壓跳變，疊加的周期數為（n-1），疊加頻率為1次/3分鐘，共運行2小時。

在上述條件下，應能夠穩定運行，不出現損壞或其他不正?，F象，合格；否則不合格。

判定標準：

符合測試說明，合格；否則不合格。