DC/DC電源模塊的四線制測試方法

袁 驊，尹華莎

(1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032;2.東軟集團股份有限公司，沈陽 110179)

1 引言

在DC/DC電源模塊(以下簡稱電源模塊)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，為評判電源模塊輸出品質(zhì)是否滿足指標(biāo)要求，需要在不同溫區(qū)、不同負載電流條件下，對輸出電壓進行測量。簡便的方法是采用兩線制測量，即電源模塊輸出通過引線連接至負載，然后測量負載兩端電壓。采用兩線制測量方法的前提是，負載電阻遠遠大于引線電阻，引線上的電壓損耗不足以影響測試精度。在對低電壓、大電流輸出的電源進行測量時，因引線上的等效電阻引起的電壓損耗已構(gòu)成對測試結(jié)果的影響，此時應(yīng)采用四線制測量方法。

2 兩線制測量系統(tǒng)誤差分析

圖1為兩線制測量原理圖。圖1中電源模塊輸出Vo+、Vo－各有一根引線連接至負載電阻RL，R1、R2為引線等效電阻。設(shè)圖1中的電壓表和電流表均為理想表，即電壓表的內(nèi)阻無窮大，電流表的內(nèi)阻為零。根據(jù)歐姆定律可知，電源模塊輸出:

圖1 兩線制測量原理

上式中Uo為電源模塊輸出電壓，U即為電壓表兩端電壓，△U為引線上產(chǎn)生的電壓損耗，即測試誤差。輸出電壓精度是電源模塊的重要指標(biāo)之一，通常要求電源模塊實際輸出與設(shè)定值之間的偏差小于1%。因此，R1+R2造成的誤差，必須遠小于1%，否則無法判定電源的品質(zhì)。

3 四線制測量原理

四線制測量連接方式如圖2所示。電源模塊輸出端Vo+、Vo－各有兩條引線，其中一條與負載電阻RL連接，另一條與電壓表連接，共計四根線。電源模塊輸出端通過引線與負載電阻RL組成一個回路，稱為負載回路，負載回路中的引線稱為負載線;輸出端通過引線與電壓表組成一個回路，稱為測試回路，測試回路中的引線稱為測試線。兩個回路嚴格分開，各自獨立。圖2中R1、R2為負載線等效電阻，R3、R4為測試線等效電阻。

圖2 四線制測試原理

同樣設(shè)電壓表和電流表為理想表，因萬用表內(nèi)阻無窮大，所以測試回路中無電流，測試線線電阻電壓損耗為零，電壓表兩端測量的電壓即為電源模塊實際輸出電壓即U=Uo，測試誤差為零。

通常情況電壓表的內(nèi)部阻抗為兆歐級，引線電阻為歐姆級，根據(jù)歐姆定律可得，測試回路中電流為微安級或更低;負載回路中電流一般為幾百毫安至幾十安培，遠遠大于測試回路，因此測試回路中電流不會對電源模塊輸出指標(biāo)產(chǎn)生影響，可以忽略不計。另外，由于電壓表內(nèi)阻遠遠大于測試線等效電阻，測試線上產(chǎn)生的電壓損耗接近于零，對測量精度的影響也可以忽略不計，可認為電壓表兩端電壓即為電源模塊輸出電壓。

從以上分析中可以得出，采用四線制測量時，誤差主要來源于測試儀表的精度誤差，與測試系統(tǒng)引線無關(guān)。

4 四線制測量方法在電源測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電源模塊的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，效率η=(Io×Uo)/(Ii×Ui)是一個重要指標(biāo)。當(dāng)η達到一定水平之后，每提高一個百分點都是非常困難的。因此，如果由于線損造成產(chǎn)品η指標(biāo)不達標(biāo)，將是一件得不償失的事情。所以，我們在對η這個指標(biāo)測試時，同樣要采取四線制測量方法。如圖3所示。

圖3 四線制DC/DC電源模塊測試原理

PTH05030是一款非隔離電源模塊，其輸出電壓0.8V至3.6V，輸出電流最大可達30A。由于電源模塊須在高、低溫箱內(nèi)模擬不同溫區(qū)環(huán)境下工作并進行在線測試，因此由電源模塊連接到測試系統(tǒng)的引線長度需要約2米左右。等效電阻為0.018Ω，如果用兩線制測量方法，則引線上電壓損耗△U=30 ×0.018=0.54V，誤差為15%，對測試結(jié)果已經(jīng)構(gòu)成不可忽略的影響，因此必須采用四線制測量方法。

在對PTH05030非隔離電源模塊篩選測試時，筆者根據(jù)四線制測試原理設(shè)計了一套自動測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)原理框圖見圖4。測試時，上位機首先給繼電器板發(fā)送控制指令，控制負載線繼電器將被測模塊輸出與電子負載構(gòu)成電流回路，同時控制測試線繼電器將輸出與數(shù)字萬用表構(gòu)成測試回路;其次，設(shè)置直流電源輸出為待測模塊所需工作電壓;然后，給電子負載發(fā)送指令設(shè)置工作模式并啟動工作;最后從萬用表中讀取測量結(jié)果并存儲在輸出報表中。圖5為上位機軟件操作界面。

圖4 DC/DC電源模塊測試系統(tǒng)原理框圖

圖5 上位機軟件操作界面

本系統(tǒng)可同時接入八只待測模塊，并且整個工作過程完全由上位機自動控制，無需人工干預(yù)，提高了測試效率和測試一致性，降低了人工讀數(shù)誤差。

5 結(jié) 束 語

通過大量實驗驗證，采用四線制測量方法設(shè)計的電源模塊測試系統(tǒng)，在被測量電源模塊滿載時，Ui與U1之差、U0與U之差的結(jié)果都小于±2mV，此電壓差是由于數(shù)字萬用表的測試精度造成的，該誤差遠遠小于設(shè)計指標(biāo)要求。所以，該四線制測試系統(tǒng)能夠有效消除引線電阻對測試結(jié)果的影響，降低了測試系統(tǒng)的測試誤差，提高測試準(zhǔn)確度。

［1］劉志存.微小電阻測量方法及關(guān)鍵技術(shù)［J］.物理測試，2005，23(1):34 －36.

［2］顧正誼.探討四線電阻在測量儀器中的應(yīng)用［J］.山東電子，1994(1):24－25.