一種DC-DC變換器參數(shù)不確定度評(píng)定方法*

李迎昕

（軍用電子元器件北京第三檢測(cè)中心 北京 100015）

1 引言

在某種意義上來(lái)講，電源可以比作一個(gè)電路系統(tǒng)的心臟，它為系統(tǒng)提供著持續(xù)而穩(wěn)定的能量，能量的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能與可靠性。隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，作為電源中一員的DC-DC變換器有著體積小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備。DC-DC變換器的靜態(tài)參數(shù)是評(píng)價(jià)DC-DC變換器性能的主要參數(shù)，它是生產(chǎn)廠家與使用單位質(zhì)量控制的必測(cè)參數(shù)，而參數(shù)不確定度是對(duì)測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試環(huán)境的一種考量，直接影響產(chǎn)品性能的評(píng)估結(jié)果。本文以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家某型混合集成電路DC/DC變換器靜態(tài)參數(shù)：輸出電壓Vo及轉(zhuǎn)換效率η的測(cè)試為例，闡述一種DC-DC變換器靜態(tài)參數(shù)測(cè)試不確定度的評(píng)定方法。

2 不確定度評(píng)定

2.1 不確定度評(píng)定方法介紹

在國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1059.1-2012中介紹了兩種不確定度的評(píng)定方法：A類(lèi)評(píng)定方法與B類(lèi)評(píng)定方法。

A類(lèi)評(píng)定方法是指運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)測(cè)得的量值進(jìn)行測(cè)量不確定度分量評(píng)定的方法。主要適用于測(cè)試條件可復(fù)現(xiàn)的不確定度評(píng)定。

B類(lèi)評(píng)定方法是指主要依據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的量值、有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值、校準(zhǔn)證書(shū)、儀器漂移、經(jīng)檢定的測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度等級(jí)或根據(jù)人員經(jīng)驗(yàn)推斷的極限值等進(jìn)行不確定度評(píng)定的方法。

2.2 不確定度評(píng)定實(shí)例

2.2.1 測(cè)試過(guò)程描述及測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

測(cè)試的樣品是輸入電壓為28V，輸出電壓為±5V，滿載電流為±0.15A的雙路輸出DC/DC變換器，測(cè)試使用Chroma 8000測(cè)試系統(tǒng)及合適的測(cè)試夾具進(jìn)行，測(cè)試系統(tǒng)在計(jì)量有效期范圍內(nèi)。在相同的條件下（測(cè)試設(shè)備、人員、環(huán)境條件均相同；每次測(cè)試均重新插上樣品）對(duì)樣品進(jìn)行10次連續(xù)測(cè)試，獲得一組測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試方法依據(jù)SJ20646-97《混合集成電路DC/DC變換器測(cè)試方法》。輸出電壓Vo、轉(zhuǎn)換效率η測(cè)試結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 HSS028D5-A的輸出電壓Vo測(cè)量值

表2 HSS028D5-A的效率η測(cè)量值

2.2.2 不確定度來(lái)源分析

測(cè)試條件相同，因環(huán)境影響所引起的測(cè)試誤差可忽略不計(jì)。本次測(cè)試不確定度的來(lái)源主要有兩個(gè)：1）多次測(cè)試結(jié)果不重復(fù)引入的重復(fù)性測(cè)試不確定度；2）測(cè)試設(shè)備Chroma 8000功率模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)的誤差引入的不確定度。

2.2.3 不確定度評(píng)定方法確定

測(cè)試條件可重復(fù)，可采用A類(lèi)不確定度方法評(píng)定。測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試誤差存在固有的準(zhǔn)確度等級(jí)，有據(jù)可查，可用B類(lèi)不確定度的評(píng)定方法評(píng)定。

2.2.4 參數(shù)不確定度評(píng)定

由A類(lèi)評(píng)定方法評(píng)定出的不確定度分量記為μ1，由B類(lèi)評(píng)定方法評(píng)定出的不確定度分量記為μ2。

1）輸出電壓Vo不確定度評(píng)定

（1）A類(lèi)不確定度分量（μ1）評(píng)定

按式（1）計(jì)算Vo的平均值：

得出：（Vo1）=5.0016V，（Vo2）=-5.0143V。

按式（2）貝塞爾法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

得 出：μ1(Vo1)=0.000339935V ，μ1(Vo2)=0.000422953V。

（2）B類(lèi)不確定度分量（μ2）評(píng)定

測(cè)量被測(cè)件時(shí)使用測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集單元34970A的10V電壓檔位測(cè)量，該檔位最大允許誤差e=±（0.0035%×讀數(shù)+0.0005%×量程）V，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布，包含因子，半寬度α=|e|。按式（3）計(jì)算B類(lèi)不確定度分量：

得出：μ2(Vo1)=0.000129936V ，μ2(Vo2)=0.000130193V。

（3）合成不確定度Uc評(píng)定

根據(jù)測(cè)量結(jié)果的A類(lèi)和B類(lèi)不確定度分量，計(jì)算得出合成不確定度Uc。輸出電壓為直接測(cè)量量，合成不確定度計(jì)算見(jiàn)式（4）。

得出：Uc(Vo1)=0.000363922V，Uc(Vo2)=0.000442537V。

（4）擴(kuò)展不確定度U評(píng)定

包含因子K=2，置信概率約為95%。輸出電壓的擴(kuò)展不確定度U計(jì)算見(jiàn)式（5）：

得出：U(Vo1)=0.000727843V，U(Vo2)=0.000885074V。

2）轉(zhuǎn)換效率η的不確定度評(píng)定轉(zhuǎn)換效率η為間接測(cè)量量，η=，它的直接測(cè)量量為Vin、Iin、Vo1、Vo2、Io1、Io2。間接測(cè)量量的不確定度評(píng)定過(guò)程大致如下：

首先要求出各直接測(cè)量量的合成不確定度，再根據(jù)公式求出各直接測(cè)量量合成不確定度的靈敏度系數(shù)，最后由各直接測(cè)量量的合成不確定度與靈敏度系數(shù)求出間接測(cè)量量的合成不確定度及擴(kuò)展不確定度。

（1）A類(lèi)不確定度分量（μ1）評(píng)定

根據(jù)式（1）計(jì)算各測(cè)量量的平均值，式（2）計(jì)算各直接測(cè)量量的A類(lèi)不確定度分量μ1，結(jié)果如表3所示。

表3 η各直接測(cè)量量的、μ1的計(jì)算結(jié)果

表3 η各直接測(cè)量量的、μ1的計(jì)算結(jié)果

images/BZ_62_1011_781_1053_832.png(Vin)images/BZ_62_1011_781_1053_832.png( )Vo1 U( )Io1 μ1( )Vin μ1( )0.06821A-5.01487V-0.15A 0.000036192A 0.000382422V 0.000000000A Vo1 μ1( )images/BZ_62_1011_781_1053_832.png(Iin)images/BZ_62_1011_781_1053_832.png(Vo2)images/BZ_62_1011_781_1053_832.png( )I o2 μ1( )I in μ1( )Io1 27.99906V 5.00270V 0.15A 0.000036661V 0.000379192V 0.000000000A Vo2 μ1( )I o2

（2）B類(lèi)不確定度分量（μ2）評(píng)定

測(cè)量Vo1、Vo2時(shí)使用34970的10V電壓檔位，該檔位最大允許誤差e=±（0.0035%×讀數(shù)+0.0005%×量 程）V；測(cè)量Io1、Io2時(shí)，使用63610-80-20的0.2A檔位，該檔位最大允許誤差e=±（0.05%+0.05%×量程）×讀數(shù)A；測(cè)量Vin時(shí)，使用34970的100V電壓檔位，該檔位最大允許誤差e=±（0.0045%×讀數(shù)+0.0006%×量程）V；測(cè)量Iin時(shí)，使用62024P-100-50的10A檔位，該檔位最大允許誤差e=±（0.1%+0.1%×量程）×讀數(shù)A；在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布，包含因子，半寬度α=|e|，由式（3）計(jì)算得出各直接測(cè)量量的不確定度分量μ2如表4所示。

表4 η直接測(cè)量量的μ2計(jì)算結(jié)果

（3）合成不確定度評(píng)定

①計(jì)算直接測(cè)量量的合成不確定度Uc

按式（4）計(jì)算得出直接測(cè)量量的合成不確定度Uc，計(jì)算結(jié)果如表2～5所示。

表5 η直接測(cè)量量的Uc計(jì)算結(jié)果

②計(jì)算各直接測(cè)量量的靈敏度系數(shù)

按式（6）計(jì)算得出直接測(cè)量量合成不確定度的靈敏度系數(shù)|c（x）|：

表6 η直接測(cè)量量的|c（x）|計(jì)算結(jié)果

③計(jì)算間接測(cè)量量η的合成不確定度Uc

按式（7）計(jì)算間接測(cè)量量η的合成不確定度Uc。

得出：Uc(η)=0.501830179%。

（4）擴(kuò)展不確定度評(píng)定

包含因子K=2，置信概率約為95%。根據(jù)式（2）～（5）計(jì)算的η的擴(kuò)展不確定度U(η)=1.003660359%。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工作中，當(dāng)計(jì)算出的擴(kuò)展不確定度不影響結(jié)果判斷的情況下可以忽略不計(jì)，但當(dāng)擴(kuò)展不確定度影響判斷結(jié)果的時(shí)候，應(yīng)及時(shí)分析原因，及時(shí)糾正。比如原因之一為儀表的誤差較大，應(yīng)使用更精確的測(cè)試儀器再次測(cè)量，降低不確定度，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，使計(jì)算出的拓展不確定度可忽略。若沒(méi)有測(cè)量誤差更小的儀器來(lái)替代，則沒(méi)有理由說(shuō)明產(chǎn)品不滿足要求。

本文結(jié)合實(shí)際DC/DC變換器靜態(tài)參數(shù)的測(cè)試，選取了輸出電壓及轉(zhuǎn)換效率兩種典型靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量不確定度的評(píng)定，既包含直接測(cè)量參數(shù)，也包含各直接測(cè)量分量不相關(guān)的間接測(cè)量參數(shù)，具有一定的普遍性，為DC-DC變換器不確定度的評(píng)定提供了參考價(jià)值。