反激式开关电源电应力测试方法

任继栋，徐冬明

(1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610；2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波 315040；3.宁波舜宇模具股份有限公司，浙江宁波 315400)

0 引言

开关电源目前已广泛地应用于人们的日常生活和工作中，包括工业自动化控制、军工设备、LED照明行业、电力设备、仪器仪表、医疗设备、液晶显示器和电脑机箱等[1]。开关电源可以是直流转直流 (DC-DC)转换也可以是交流转直流 (ACDC)转换，按不同的拓扑又可分为反激式开关电源、正激式开关电源和半桥谐振等[2]。本文主要介绍反激式开关电源的电应力测试方法，它通过控制开关管开通和关断，将初级能量通过变压器传递给次级，最终将市电转化为恒定的直流量。

1 测试设备

对开关电源进行电应力测试前，我们需要准备一套测试系统，其应该由如下设备组成：变频电源、功率计、隔离变压器、示波器及其套件、电子负载和模拟负载等。为了保证测试数据的准确性，测试人员必须充分地了解测试设备的基本参数，尤其是示波器参数。为了保证测试波形不失真，这里首先简要地介绍几个示波器最重要的参数[3]。

a)带宽

示波器前端放大器的幅频特性曲线的截止频率点，也就是示波器测得正弦波的幅度不低于真实正弦波3 dB的幅度时的最高频率。带宽的限制对信号的捕获会带来如下的影响：

1)使被测信号的上升沿变缓；

2)使信号的高频分量减少；

3)使信号的相位失真。

b)采样率

数字示波器的本质就是对连续信号进行离散化的采样过程，将原始信号的电压按等时间间隔转换为一系列的电平，这些电平代表的信号被离散为一个一个的点，这个过程被称为采样。数字示波器是等时间间隔采样的，采样电压之间的时间间隔越小，那么重建出来的波形就越接近于原始信号。采样率即表示每秒钟采样的点数。

c)存储深度

存储深度表示示波器采集存储器的容量，即可以保存的采样点的个数。示波器使用中的一个非常重要的关系式是：存储深度=采样率×采样时间。存储深度越大，表明在任何给定时间条件下的采样率都会越高，在相同的采样率下可以捕获更长时间的波形。示波器的菜单中只能够固定存储深度，当捕获的采样时间乘以当前采样率的结果超过了最大存储深度时，采样率将随着时基 (采样时间)的继续增加而逐渐地减小，当捕获到一定长度的时间时，采样率会自动地降低而导致波形失真。

2 元器件电应力测试选型

为了明确元器件电应力测试的类型，根据器件在开关电源网络中发挥的作用及其重要性、器件在工作中承受的电应力相对数量级，对元器件进行划分。核心类元器件包括：主MOS管、输出电解、次级整流二极管、PFC模块 (PFC输出电解、PFC输出二极管和PFC_MOS管)、同步整流模块(MOS管)、DC-DC模块 (MOS管)和谐振电容。Ⅰ类元器件包括：变压器、PFC电感、启动电阻和取样电阻。Ⅱ类元器件包括：光耦、电感、集成电路IC、三极管、贴片电容、RCD吸收回路、输入整流滤波电路和辅助绕组回路。

3 测试方法

为了保证测试数据的准确性，减少因引线带入寄生电容、阻抗和感抗等误差，应尽量地采用割PCB走线再引线的方式进行测试。对于那些由两个及以上的相同型号的元器件组成的整流电路，或者滤波电路，需同时取下引线来进行测试，如果出现耐压超限的情况，则需去掉引线后复测。

在实际的样品测试过程中，需要考虑到样品的输入电压、工作状态和负载状态。选取的输入电压如下：额定电压下限的90%(Umin)，额定电压上限的110%(Umax)；选取的负载状态如下：满载(F)、空载 (N)和短路 (S)；选取的工作状态如下：开机 (ON)、关机 (OFF)，满载切换至空载(F-N)、空载切换至满载 (N-F)和满载切换至短路 (F-S)、短路切换至满载 (S-F)。

示波器测试探头的使用原则如下[4]：1)尽量地使用差分探头来测试高压信号；2)在使用无源探头时应避免 “共地”现象的发生，否则容易导致炸机，并损坏示波器；3)电流探头使用前必须校准、消磁。

4 测试项目

下面将对几个重要的损耗型元器件的测试方法进行概述。

4.1 场效应管电应力测试

场效应管(MOS管)是一种电压控制的半导体器件，即管子的电流受控于栅极电压。由芯片发出驱动信号，通过MOS管的导通与关断，将变压器初级能量传递到次级。在对MOS管进行电应力测试的过程中，需要考量的参数有栅极电压Vgs的最大值、漏极电压Vds的最大值和通过漏极的电流Id的最大值。Vgs、Vds采用电压探头检测，Id采用电流探头检测。在Umin和Umax下，根据不同的负载状态，记录下测试数据和测试波形，形成测试表格。MOS管工作波形示例如图1所示。

图1 MOS管工作波形示例

4.2 二极管电应力测试

二极管具有明显的单向导电性。在对二极管的电应力测试过程中，需要考量的参数有反向电压的最大值 (Vmax)、有效值 (Vrms)，正向导通电流的最大值 (Imax)、平均值 (Iav)。其中，正向导通电流的最大值取平均值的两倍。在Umin和Umax下，根据不同的负载状态，记录下测试数据和测试波形，形成测试表格。二极管工作波形示例如图2所示。

4.3 铝电解电容电应力测试

电解电容器主要应用在输入输出整流滤波电路中，其主要的作用为平滑后级电压，吸收来自于整流输出的纹波电流。在对铝电解电容进行电应力测试的过程中，需要考量的参数有电解两端电压的最大值 (Vmax)，电解上电流的有效值 (Irms)。需要引起注意的是，对于多个电解并联的情况，测试时应整体对其进行测试。在Umin和Umax下，根据不同的负载状态，记录下测试数据和测试波形，形成测试表格。铝电解电路工作波形示例如图3所示。

4.4 变压器电应力测试

变压器就是电磁互感器，是变换电压、电流和阻抗的元器件。变压器电应力测试中，需要测试的数据有：辅助绕组电压的最大值与最小值、原边电流的最大值与有效值、次级电流的最大值与有效值。需要通过电流值对电流密度、磁通密度进行计算。其中，电流密度=流过绕线的电流值/绕线截面积。磁通密度计算公式如下：

式(1)中：Bm——磁通密度，一般要求小于0.32 T，超过即可认为磁通饱和；

L——电感量；

I——原边工作电流的最大值；

N——原边绕组匝数；

Ae——磁芯面积。

图2 二极管工作波形示例

图3 铝电解电容工作波形示例

5 判定标准

测试数据首先必须满足各类型器件规格书的要求，对于产品应用环境较恶劣的，还应考虑对元器件进行降额设计，保证产品长期运行的可靠性。这里推荐参照GJB/Z 35-93《元器件降额准则》，里面详细地规定了各种类型的元器件在不同的应用参照情况下应降额的参数与量值，同时也提供了若干与降额使用有关的应用指南[5]。

6 结束语

本文提供了一种利用示波器进行 “白盒测试”的试验方法，通过此方法可以对开关电源内部各类型元器件的工作电压和电流波形进行 “精确捕捉”，从而确保产品器件选用的合理性，提升产品在开发设计前期的可靠性，降低产品在后道测试阶段所暴露的问题。