直流稳压电源现场检定装置设计

苏　璠　才　滢　张　丹

(中国人民解放军92493部队89分队，葫芦岛 125000)

0　引言

直流稳压电源主要用于为电子设备提供直流供电电源，它的好坏直接关系电子设备的正常使用及技术性能有效发挥。直流稳压电源性能主要用稳定性和纹波大小来表征。直流稳压电源还会因电网电压变化而引起稳定输出量的变化，同样也会因负载变化而引起稳定输出量的变化，这是直流稳压电源中所关注的源效应和负载效应。针对大功率稳压电源越来越多，不便于移动的现状，研制设计了一种适合现场计量保障用的大功率直流稳压电源检定装置。

1　装置组成及总体设计

根据《JJG 6—1999直流稳压电源检定规程》，直流稳压电源周期检定主要内容为：电源电压调整率、负载调整率、输出电压短期稳定性、纹波电压、电压表和电流表示值误差。所以，设计装置主要由三组装置组成：直流电子负载、智能电网调整器和稳压电源自动检定装置。系统组成方框图如图1所示，直流电子负载可提供检定过程中直流稳压电源满载和空载状态；智能电网调整器可输出检定过程中要求的242V、198V和220V电网电压；稳压电源自动检定装置部分可实现直流稳压电源的电源电压调整率、负载调整率、输出电压短期稳定性、纹波电压、电压表及电流表示值误差等功能的自动测试与数据处理，实现功能如图2所示。

图1　系统组成方框图

图2　稳压电源现场检定装置实现功能框图

2　硬件设计

2.1　直流电子负载设计

直流稳压电源作为一个常规的电子设备，在各种电子产品测试过程中起着重要的作用，其性能的好坏直接影响着测试结果的精度和准确度。为了得到理想的测试结果，阻值精确、性能优良的负载是必要的。常规的电阻负载(滑动变阻器和电阻箱)，由于其温度的变化会引起阻值的变化，当电流很大时产生的热噪声及自身温度骤然升高常常会影响测试结果。比如：在对一些高精度稳压电源进行参数检测时，负载的性能会影响参数值的精确性。为了测量稳压电源的性能，设计了一个智能的、数字化控制的直流电子负载，它不同于传统的固定电阻或可变电阻器，而是采用串口控制方式，根据被检直流稳压电源的额定电流控制输出恒流、恒压状态，即提供检定过程中直流稳压电源满载和空载状态。恒流功能：0～240A，最大允许误差：±(0.1%读数+0.05%满度)，恒压功能：0.1～150V，最大允许误差：±(0.03%读数+0.02%满度)，设计方案如图3。

图3　直流电子负载设计方案框图

图4　智能电网调整器设计方案框图

2.2　智能电网调整器设计

稳压电源的检定过程中要模拟电网变化检定稳压电源的电源电压调整率，传统方法采用手动调压器实现，调节过程复杂。现采用无线控制器及智能调压电路构成，由稳压电源自动检定装置无线控制单元采用遥控式无级变速技术，控制磁饱和变压器使智能电网调整器输出稳定的242V、198V和220V电压，实现电网电压自动调整。原理框图如图4所示。

智能电网调整器调压范围：160～252V，功率5kW，稳压最大允许误差：±0.5%。由接触式调压器、伺服电机、比较电路、检测电路、基准电路及无线接收电路等组成。稳压电源自动检定装置在检定电网调整率时，由无线控制单元发送信号，智能电网调整器中无线接收电路接收指令，改变基准电路电压，控制电路进行取样比较放大，驱动伺服电机改变接触式调压器上电刷的位置，使输出电压稳定在不同的电压值。稳压过程中，无电火花产生，连续调节，平衡迅速。设计了限位保护，一旦调压器滑动臂运转至顶端或底端，便撞击相应的限位开关，立刻切断伺服电机的供电电源，则电机停转。

2.3　稳压电源自动检定装置设计

纹波测试：0.05mV～1V，最大允许误差：±0.1%；直流电压测试：0～1000V，最大允许误差：±0.01%；直流电流测试：0～240A，最大允许误差：±0.01%。

2.3.1采样测量模块设计

模块由直流电流和电压采样单元组成，输入电压信号经电压转换、滤波电路和A/D转换完成测量；输入电流信号经电流电压转换、电压调理、滤波电路和A/D转换完成测量，设计方案框图如图5所示。

图5　采样测量模块设计方案框图

2.3.2纹波电压测量模块设计

模块由纹波电压采样单元构成，选用ADS8344转换芯片来实现A/D转换。ADS8344转换芯片具有八通道模拟量输入功能，采用16位Σ-Δ原理实现模数转换功能，每个通道采取同步采样，不存在时间延迟问题，设计方案框图如图6所示。

图6纹波电压测量模块设计方案框图

2.3.3控制单元设计

对各采样单元及智能电网调整器和电子负载接入及输出进行分时控制以保证稳定电源各检定功能的实现，其设计原理框图如图7所示。

图7　控制单元设计方案框图

稳压电源自动检定装置串口发送命令，通过串口通讯和解码器到达地址编码器控制继电器动作使直流电压、直流电流、纹波采样单元工作；同时，稳压电源自动检定装置串口发送命令使电子负载工作在检定所需状态；稳压电源自动检定装置发送无线控制码，使智能电网调整器输出检定电网调整率所需的电压值。

3　软件设计

软件编制任务主要包括计量校准、数据管理、人员管理和通讯控制四个模块，采用图形化编程语言VB来编制，各模块完成的主要功能如下：

1)计量校准模块：完成直流稳压电源的电源电压调整率、负载调整率、输出电压短期稳定性、纹波电压、电压表示值误差、电流表示值误差等功能的计量校准控制与数据处理。数据处理包含粗大误差的判别、不确定度分析以及数据误差计算及合格判定等算法。

2)数据管理模块：完成计量校准形成的原始数据存储、管理、维护以及证书和记录、报告的输出。

3)通讯控制模块：实现可控硬件单元的控制与数据传输和通信，和计量校准模块各功能同步实现。

4)人员管理模块：完成计量校准人员权限设置及密码管理。

4　装置的测试结果

该装置研制完成后对其进行了测试，各功能满足所有直流稳压电源纹波电压，电压表和电流表示值误差的检定，电源电压调整率、负载调整率、输出电压短期稳定性满足0.04%以下级别的检定要求。本装置测试数据见表1、表2和表3，一般直流稳压电源技术要求与本装置技术指标比较见表4。

表1直流电子负载测试数据

恒压模式恒流模式设置值(V)标准值(V)实际误差%最大允许误差%结论设置值(A)标准值(A)实际误差%最大允许误差%结论22　0004-0　02±0　03合格1010　0009-0　009±0　03%合格100100　011-0　011±0　04%合格150150　017-0　0113±0　05%合格55　0011-0　02±0　1合格1010　006-0　0600±0　1合格100100　071-0　0710±0　1合格240240　062-0　0258±0　2合格

表2智能电网调整器电压稳定误差测试数据

示值(V)实际值(V)实际误差%最大允许误差%结论198197　710　1±0　5合格220219　90　05±0　5合格242241　790　09±0　5合格

表3稳压电源自动检定装置测试数据

电压测试电流测试标准值(V)显示值(V)实际误差%最大允许误差%结论标准值(A)显示值(A)实际误差%最大允许误差%结论0　20　200006-0　003±0　01合格0　20　2000050　002±0　01合格11　00002-0　002±0　01合格11　000080　008±0　01合格1010　00009-0　0009±0　01合格22　000090　004±0　01合格100100　0007-0　0007±0　01合格1515　00090　006±0　01合格10001000　008-0　0008±0　01合格200200　0110　006±0　01合格纹波电压测试标准值(mV)显示值(mV)实际误差%最大允许误差%结论标准值(mV)显示值(mV)实际误差%最大允许误差%结论0　050　04999-0　02±0　1合格109　995-0　05±0　1合格0　10　100060　06±0　1合格100100　030　03±0　1合格

表4直流稳压电源检定项目技术要求与本装置技术指标比较表

直流稳压电源检定项目直流稳压电源一般技术要求稳压电源自动检定装置技术指标是否满足检定要求纹波电压0　05～100mV0　05mV～1V是电压表、电流表示值误差±(0　2%～0　5%)±0　01%是电源电压调整率0　001%～1%±0　01%0　04%以下负载调整率0　001%～1%±0　01%0　04%以下输出电压短期稳定性0　005%/10min～5%/10min±0　01%0　04%/10min以下

5　结束语

稳压电源现场检定装置已经研制完成，经性能试验和计量测试满足大功率稳压电源和通用直流稳压源的现场及实验室校准、检定和测试要求，自动完成检定工作，提高了检定工作效率，目前已用该装置建立了直流稳压源测量标准，具有很好的推广应用前景。其中直流电子负载带有光电隔离的串行通信接口，可实现程序控制，并可任意多个扩展，可任意多个扩展，扩展电流范围为N×240A(N为扩展数量)。

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