無電壓取樣端直流穩定電源校準專用插頭設計

荊曉冬 鄭世棋 任宇龍 李盈慧 范雅潔 杜 蕾

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

直流穩定電源作為最常用的直流供電儀器，應用十分廣泛[1]。由于電子技術的特性，電子設備對直流電源的要求就是能提供穩定準確、滿足負載要求的電能[2]，校準直流穩定電源對保障這些因素十分重要。依據相關計量技術規范[3,4]，直流穩定電源的校準項目包括直流電壓輸出、直流電壓回讀值、直流電流輸出、直流電流回讀值、穩壓負載效應、穩壓源電壓效應、穩流負載效應、穩流源電壓效應、穩壓輸出周期和隨機偏差、穩流輸出周期和隨機偏差。直流穩定電源多數體積大、質量重，拆卸搬動不易，現場計量已成趨勢[5]。同時，為了提高直流穩定電源的校準效率，各式各樣的直流穩定電源自動校準系統開始被技術人員廣泛應用[6,7]。

從直流穩定電源的作用來看，其最重要的兩項指標為穩壓、穩流負載效應，這兩項指標體現出直流穩定電源在供電時電壓、電流的輸出準確度[8]。在測量穩壓負載效應時，不同的連線方式不僅所需時間不同，且可能導致不同測量誤差的引入[9]。本文通過分析穩壓負載效應的測量過程，設計出一款便捷、高效，且引入誤差對測量結果影響較小，可忽略不計的專用插頭。

2 方案設計

2.1 穩壓負載效應測量原理

直流穩定電源穩壓負載效應的測量原理[10]如圖1所示。

圖1 穩壓負載效應測量原理圖Fig.1 Principle diagram of voltage stabilization load effect measurement

大部分直流穩定電源都具備穩壓和穩流兩種輸出方式。由于直流穩定電源在實際應用中均為帶載應用，其穩壓和穩流的負載效應都應按規范進行計量校準。穩壓負載效應按式(1)進行計算

ΔULV=|Un-Um|

(1)

式中：ΔULV——直流穩定電源穩壓負載效應；Un——直流穩定電源輸出空載狀態下直流標準電壓表的測量值；Um——直流穩定電源滿負載輸出且處于穩壓狀態下直流標準電壓表的測量值。

穩流負載效應按式(2)進行計算

ΔILV=|Is-Im|

(2)

式中：ΔILV——直流穩定電源穩流負載效應；Is——直流穩定電源輸出短路狀態下直流標準電流表的測量值；Im——直流穩定電源滿負載輸出且處于穩流狀態下直流標準電流表的測量值。

無論穩壓還是穩流都會有一個接近額定功率到空載或短路的切換[11]，不同測量連線方式對滿載狀態時的穩壓負載效應測量值有不同的影響，引入的測量誤差不同，下面對不同測量連線方式引入的測量誤差進行分析。

2.2 穩壓負載效應測量連線方式及分析

直流穩定電源按其輸出端分類有電壓取樣端和無電壓取樣端兩種輸出形式。有電壓取樣端的直流穩定電源是將電壓取樣端與電流輸出端在測量線連接處分離，利用四根測量線測量，如圖2所示。圖中“+”和“-”為電源電流輸出端，“sense+”和“sense-”為電源電壓取樣端，RL為直流電子負載或滑動變阻器，R1和R2分別為回路中插頭與插孔的接觸電阻。這種輸出端的作用就是將電壓測量回路與電流測量回路分離，使測量回路中接觸電阻不會影響電壓的測量值。

有電壓取樣端的直流穩定電源連線方式明確，沒有顯著影響因素。

圖2 有電壓取樣端的直流穩定電源輸出原理圖Fig.2 Output principle of DC stabilized power supply with voltage sampling terminal

無電壓取樣端直流穩定電源輸出端口通常為4mm的香蕉插孔，其電壓取樣端和電流輸出端沒有在外部分離。這種插孔會因不同的連線方式影響著電源穩壓負載效應的測量結果。并且不同的連線方式，連線的效率也不相同。

以穩壓負載效應為例，由于要在近似最大電流輸出狀態下測量穩壓輸出電壓值，無電壓取樣端直流穩定電源穩壓負載效應測量的連線也需要采用四線測量式連線，如圖3所示。

圖3 四線測量式連線圖Fig.3 Wiring diagram of four-line measurement

在四線測量式連線中，電壓測量線為壓片式接頭，電流測量線為香蕉插頭。連線時，需旋動電源輸出端子，壓緊壓片，再將電流測量線插入插孔。這種連線方式在多通道輸出、大批量電源集中計量校準時，嚴重影響校準效率。

在四線測量式連線中，主要是電壓測量線的壓片固定影響了連線的效率。為了規避這一環節，可以使電壓、電流測量線都接入香蕉插頭，測量時將電壓、電流測量線的插頭疊加插入輸出端，將連線方式簡化為雙插式，如圖4所示。雙插式連線用時更短，連線效率較高。但這種連線方式存在一個弊端，會引入對測量結果影響很大的測量誤差。

圖4 雙插式連線圖Fig.4 Wiring diagram of double plug insertion

分四線測量式與雙插式兩種連線方法對同一臺Keysight公司E3631A直流穩定電源第一通道穩壓負載效應的測量結果見表1，其電壓輸出6V，電流輸出5A。六次測量平均值相差24mV左右，而該通道穩壓負載效應的最大允許誤差僅2.6mV，由此可見，雙插式連線雖然簡便，但會引入極大的測量誤差。

分析雙插式連線對測量結果造成影響的原因。其原理如圖5所示，當被校電源輸出額定電壓U0，測量回路負載斷開，則數字電壓表測得值為U0；當測量回路閉合，被校電源輸出額定電壓U0，調節電子負載使被校電源輸出額定功率，則回路中產生電流I0，此時數字電壓表測得值為U；按四線測量式連線，通過式(1)計算得到該被校電源的穩壓負載效應為

ΔULV=|U0-U|

(3)

圖5 雙插式直流穩定電源輸出示意圖Fig.5 Output diagram of DC stabilized power supply with double plugs

表1中實驗數據表明，按雙插式連線，數字電壓表測得值實際為U2，并且U2≠U，說明雙插式連線引入了極大的測量誤差。

造成上述問題的原因是由于雙插式連線將電壓、電流測量線疊加在插頭上，因此電壓測量取樣端后移。其實際等效電路如圖6所示。

圖6 接雙線插頭等效電路圖Fig.6 Equivalent cirlcuit diagram for plug with double wire connection

圖6中，R1，R2分別為正負兩端疊加插頭與插孔的接觸段的等效電阻。當回路中流動電流I0，接觸段會產生電壓為

U3=I0(R1+R2)

(4)

被校電源實際的穩壓負載效應為

ΔULV=|U0-(U3+U2)|

(5)

因此，產生了誤差。

綜上所述，圖3和圖4中連線方式存在的問題歸納為以下兩點。

1)圖3所示四線測量式連線費時費力問題，在多通道輸出的直流穩定電源大批量集中校準時表現的尤為突出；

2)圖4所示雙插式連線影響測量結果，引入很大的測量誤差。

設計一款新型插頭，用于解決雙插式連線引入測量誤差過大的問題，從而提高連線的效率。

2.3 插頭設計

2.3.1插頭設計的形式

從以上分析可以得出，當電壓、電流測量回路疊加在一起時，電流與接觸電阻產生的電壓會引入測量誤差。因此，新型插頭的設計可將電壓和電流兩個測量端在同一個插頭上分離，形成電壓隔離形式。新型插頭由8個部分組成，其結構如圖7所示。

圖7 新型插頭結構圖Fig.7 Structure diagram of new designed plug

圖7中，編號1、7段為一體結構，并與編號2段互相連通，材料為導電金屬；編號4、6段為一體結構，材料為導電金屬；編號3、5段為一體結構，材料為絕緣硬質材料；編號8段為絕緣硬質材料。編號1、2、7段作為電壓取樣端，編號4、6段作為電流測量端。電壓取樣端與電流測量端被編號為3、5段的絕緣硬質材料隔絕，互不導通。編號6段為插頭的電流測量線焊接端，編號7段為插頭的電壓測量線焊接端。

上述結構實現了在同一插頭中將電壓與電流回路分離，從而消除了在電壓取樣回路中電流與接觸電阻產生的電壓所引入的測量誤差。

2.3.2新型插頭實驗結果

利用新型插頭連線方式和四線測量式連線方式對同一臺Keysight公司E3631A直流穩定電源的穩壓負載效應進行測量，其電壓輸出6V，電流輸出5A，測量結果見表2。

表2 兩種連線方式穩壓負載效應測量結果(單位:mV)Tab.2 Measurement results of voltage-stabilizing load effect of two connection modes(unit:mV)實驗次數四線測量式新型插頭11.1311.12121.1251.13531.1221.13641.1371.11951.1341.12661.1221.128

由表2可知，利用新型插頭的測量結果與四線測量式連線方式的測量結果一致性良好，引入的測量誤差對測量結果造成的影響很小。為了進一步驗證新型插頭對直流穩定電源穩壓負載效測量結果的影響，分別對Itech公司IT6332B和北京大華電子集團DH1766-2兩種型號的直流穩定電源進行測量，測量結果見表3和表4。

表3 對同一臺同一通道型號為IT6332B直流穩定電源穩壓負載效應的測量結果(單位:mV)Tab.3 Measurement results of load effect of the same model IT6332B DC stabilized power supply with the same channel(unit:mV)實驗次數四線測量式新型插頭11.321mV1.281mV21.389mV1.330mV31.330mV1.391mV41.298mV1.312mV51.315mV1.355mV61.366mV1.323mV

表4 對同一臺同一通道型號為DH1766-2直流穩定電源穩壓負載效應的測量結果(單位:mV)Tad.4 Measurement results of load effect of the same model DH1766-2 DC stabilized power supply with the same channel(unit:mV)實驗次數四線測量式新型插頭11.557mV1.538mV21.622mV1.588mV31.589mV1.594mV41.556mV1.547mV51.610mV1.589mV61.567mV1.603mV

根據上述實驗結果，可以確定新型插頭對直流穩定電源穩壓負載效應測量結果沒有影響。為了對比四線測量式連線方式與新型插頭連線的效率，利用同一套電源自動校準系統對20臺直流穩定電源分別利用兩種連線形式進行測量，在不考慮證書的生成用時的情況下,使用兩種接線方式的測量時間對比見表5。

由此可見，僅校準20臺直流穩定電源，兩者時間就相差22min左右。由此可見在更大批量直流穩定電源校準過程中，校準效率會更加顯著提高。校準的效率提高會更加顯著。

表5 兩種連線方式測量時間對比Tab.5 Comparison of measurement time between two wiring modes連線方式總體時間四線測量式3h10min新型插頭2h48min

3 結束語

近年來，隨著自動校準技術的不斷成熟，提高校準效率是計量技術的發展方向之一。我們通過分析兩種直流穩定電源常見的校準連線方法，和設計新型插頭結構，實現了在一個插頭內將電壓取樣回路與電流測量回路分離。設計的新型插頭在提高無電壓取樣端直流穩定電源校準連線效率的基礎上，有效減小了插頭引入的測量誤差，有利于實現直流穩定電源自動化校準。