淺談集成穩(wěn)壓器調(diào)整率參數(shù)的測(cè)量原理和方法

集成穩(wěn)壓器又稱集成穩(wěn)壓電源，電路形式大多采用串聯(lián)穩(wěn)壓方式。集成穩(wěn)壓器與分立元件穩(wěn)壓器相比具有外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。集成穩(wěn)壓器按引出線端子多少和使用情況大致可分為三端固定式、三端可調(diào)式、多端可調(diào)式及單片開關(guān)式等幾種。

一、 集成穩(wěn)壓器調(diào)整率參數(shù)的測(cè)量原理和方法

集成穩(wěn)壓器 (以下簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓器) 是電子設(shè)備普遍使用的器件，調(diào)整率參數(shù)則是反映集成穩(wěn)壓器性能的主要和關(guān)鍵參數(shù)，主要有電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率和功率調(diào)整率 (熱調(diào)整率)。調(diào)整率參數(shù)的測(cè)量原理見圖1。

電壓調(diào)整率參數(shù) SV 的定義為 ：

當(dāng)輸出電流 IL 和環(huán)境溫度 Ta 保持不變時(shí)，由于輸入電壓 VI 變化所引起的輸出電壓 VO 的相對(duì)變化量。

電流調(diào)整率 (負(fù)載調(diào)整率) 的定義為 ：

當(dāng)輸入電壓 VO 和環(huán)境溫度 Ta 保持不變時(shí)，由于輸出電流 IL 變化所引起的輸出電壓 VO 的相對(duì)變化量。

功率調(diào)整率定義為 ：

當(dāng)輸入電壓 VO、輸出電流 IL 和環(huán)境溫度 Ta 保持不變時(shí)，由于功率脈沖導(dǎo)致器件芯片溫度 Tj 變化所引起的輸出電壓 VO 的相對(duì)變化量。

二、影響調(diào)整率參數(shù)測(cè)試精度的原因分析及相應(yīng)措施

影響調(diào)整率參數(shù)測(cè)試精度的原因主要有以下幾個(gè)方面 ：

1. 在輸出電壓 VO 下檢測(cè)試 ΔVO 小變化量信號(hào)

穩(wěn)壓器的各調(diào)整率參數(shù)的測(cè)試都需要精確測(cè)量輸出電壓 VO 的相對(duì)變化量ΔVO，該變化量ΔVO 與輸出電壓 VO 相比，通常是一個(gè)很小的數(shù)。穩(wěn)壓器的電壓輸出 VO 一般在幾伏、十幾伏甚至幾十伏，而ΔVO 通常只有幾十毫伏、幾毫伏甚至只有零點(diǎn)幾毫伏。為保證測(cè)試精度有以下幾種方法可供選擇 ：

a. 增加電壓表的位數(shù)。

電壓測(cè)量可采用雙積分法測(cè)量和逐位逼進(jìn)法測(cè)量。雙積分法比較容易得到較多的測(cè)試數(shù)位和較高的測(cè)量精度，但由于積分時(shí)間長(zhǎng) (幾十到幾百毫秒)，采樣速率降低，不能滿足國(guó)軍標(biāo)穩(wěn)壓器詳細(xì)規(guī)范對(duì)測(cè)試時(shí)間的要求。

逐位逼進(jìn) A/D 具有較高的采樣速率，可滿足國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的測(cè)試時(shí)間要求，但要滿足穩(wěn)壓器輸出電壓變化量ΔVO 的測(cè)量精度和分辨力，需要采用 16 位 (或以上) 逐位逼進(jìn)A/D，這通常需要昂貴的價(jià)格。

b. 采樣保持器電壓補(bǔ)償法。

采樣保持器電壓補(bǔ)償法的測(cè)試原理如圖2，用采樣保持器保持輸出電壓變化前的數(shù)值 VO1，用差分放大器比較和放大其和輸出電壓變化后的數(shù)值 VO2 的差值，即輸出電壓變化量 ΔVO。采用采樣保持器電壓補(bǔ)償法可以用較小的電壓量程來(lái)測(cè)量輸出電壓變化量 ΔVO。因此可降低 A/D 的數(shù)位，進(jìn)而降低了測(cè)試成本。但采樣保持器在工作中容易受到各種干擾，特別是負(fù)載電流的突變?cè)斐傻母蓴_，因此影響測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

c. D/A 電壓補(bǔ)償法

D/A 電壓補(bǔ)償法的測(cè)試原理如圖3，該方法與采樣保持器電壓補(bǔ)償法相似，只是用 D/A 代替采樣保持器，差分放大器的一個(gè)輸入端接入要進(jìn)行測(cè)量的輸出電壓 VO，另一端接入一補(bǔ)償 D/A ，并程控其電壓與 VO 相近。在輸出電壓 VO 的變化前進(jìn)行一次 A/D 采樣得到 VO1，在輸出電壓 VO 隨輸入電壓 VI (或輸出電流 IL) 變化后再進(jìn)行一次 A/D 采樣得到 VO2，將兩次 A/D 采樣得到的值相減，得到所需的ΔVO 值。采用該方法與采樣保持器電壓補(bǔ)償法相比同樣可降低 A/D 的數(shù)位，因而同樣可降低測(cè)試成本，但因 D/A 的電壓穩(wěn)定性和抗干擾能力優(yōu)于采樣保持器，加之D/A 電壓補(bǔ)償法需進(jìn)行兩次 A/D 采樣，可以消除系統(tǒng)誤差，因此具有更好的測(cè)試效果。只是在測(cè)試前需要先進(jìn)行一次 VO 的測(cè)試，以確定 D/A 的補(bǔ)償電壓值，這對(duì)于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)不成為問題。

由于 D/A 電壓補(bǔ)償法與其它方法相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn)，同時(shí)測(cè)試時(shí)序符合國(guó)軍標(biāo)有關(guān)詳細(xì)規(guī)范的規(guī)定，因此 D/A 電壓補(bǔ)償法是最佳的選擇。

2. 器件熱效應(yīng)對(duì)輸出電壓 VO 變化量測(cè)試的影響

在穩(wěn)壓器的調(diào)整率參數(shù)測(cè)試過程中，需要對(duì)被測(cè)器件施加相應(yīng)的輸入電壓 VI 和輸出電流 IL，這樣使被測(cè)試器件承受一定的功率，由于器件熱阻的存在，這一功率將導(dǎo)致被測(cè)器件的芯片溫度 Tj 上升。而穩(wěn)壓器的輸出電壓 VO 自身也是溫度的函數(shù)，因此在進(jìn)行電壓調(diào)整率 SV 和 電流調(diào)整率 SI 的測(cè)量中所得到的輸出電壓變化量 ΔVO 中，一方面包含了由于輸入電壓 VI (或輸出電流 IL) 的變化導(dǎo)致的輸出電壓 VO 變化，這正是我們要需要測(cè)試的。但另一方面由于被測(cè)器件承受功率的變化，也會(huì)導(dǎo)致器件的溫度系數(shù)影響輸出電壓 VO 的數(shù)值，這樣就干擾了ΔVO 的測(cè)量，對(duì)器件的測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，這一問題就越突出。

為解決這一問題，在國(guó)軍標(biāo)詳細(xì)規(guī)范 (例如 GJB 597/42-96) 中對(duì)測(cè)試時(shí)序做了明確的要求，其測(cè)試時(shí)序如圖4

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要在電壓脈沖 (或電流脈沖) 的前沿前 0.5 mS 進(jìn)行初始測(cè)試，在前沿后 0.5 mS 進(jìn)行最終測(cè)試。這一時(shí)間的確定一方面是考慮了穩(wěn)壓器輸出電壓 VO 隨輸入電壓 VI (或輸出電流 IL) 的變化需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，另一方面也考慮了盡量減小由于器件熱效應(yīng)對(duì) VO 測(cè)量的影響。標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)對(duì)電壓脈沖 (或電流脈沖)的寬度也做了明確的規(guī)定。

為了符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試時(shí)序，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中提供輸入電壓 VO 的程控恒壓源和提供輸出電流 IL 的程控恒流源 (電子負(fù)載) 提出了較高的性能要求。除了要滿足測(cè)試所需的電壓 (電流) 精度外，測(cè)試脈沖應(yīng)具有良好的瞬態(tài)特性，即有徒直的脈沖前后沿及平坦的脈沖頂部，同時(shí)還要有效抑制測(cè)試過程中的自激振蕩。為了滿足這一要求，需對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的程控恒壓源和恒流源進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和調(diào)試。

3. 測(cè)試系統(tǒng)附加電阻和接觸電阻對(duì)輸出電壓變化量ΔVO 測(cè)試的影響

在測(cè)試系統(tǒng)中從程控電子負(fù)載到被測(cè)器件之間總會(huì)存在電纜和導(dǎo)線，系統(tǒng)中為了完成不同類別器件的測(cè)試切換，也總會(huì)有一些接插轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，測(cè)試適配器插座和被測(cè)器件的引腳之間也需經(jīng)過接插來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就構(gòu)成了系統(tǒng)的附加電阻和接觸電阻。這些電阻雖然很小 (毫歐量級(jí))，但在安培量級(jí)的電流下會(huì)造成毫伏量級(jí)的壓降，例如 1.5A 的輸出電流流過 10 mΩ 的電阻將產(chǎn)生 15mV 的壓降，這對(duì)于毫伏量級(jí)的ΔVO 的測(cè)試來(lái)說(shuō)，已經(jīng)不可容忍。由于接觸電阻的不穩(wěn)定性，也無(wú)法采用扣除一個(gè)固定數(shù)值的方法來(lái)彌補(bǔ) ΔVO 數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定。因此國(guó)軍標(biāo)詳細(xì)規(guī)范中明確規(guī)定對(duì)穩(wěn)壓器的輸出端必須使用開爾文連接。

所謂開爾文連接即要求在測(cè)試系統(tǒng)中從程控電源、電子負(fù)載、電壓測(cè)量裝置到被測(cè)器件的引腳全線采用開爾文四端法連接。除了系統(tǒng)的連線方式外，最終連接被測(cè)器件的測(cè)試插座必須采用開爾文四端插座。只有這樣才能有效扣除系統(tǒng)內(nèi)部的附加電阻和接觸電阻，保證調(diào)整率參數(shù)測(cè)試的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

4. 測(cè)試系統(tǒng)中各種干擾對(duì)輸出電壓變化量ΔVO 測(cè)試的影響

在自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中，還有各種干擾會(huì)對(duì)輸出電壓變化量ΔVO 的測(cè)量造成影響，主要有高頻干擾、工頻干擾和隨機(jī)干擾幾種。

高頻干擾主要來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)中的微機(jī)部分，CPU 工作時(shí)控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線上都有上兆頻率的高頻信號(hào)，這些高頻數(shù)字信號(hào)通過地線系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及一些數(shù)?；旌闲酒瑫?huì)干擾系統(tǒng)模擬部分的工作和測(cè)量。

工頻干擾主要來(lái)自電網(wǎng)，50 Hz 交流及 100 Hz 半波脈動(dòng)干擾信號(hào)會(huì)通過地線系統(tǒng)及電源系統(tǒng)干擾系統(tǒng)模擬部分的工作和測(cè)量，電源變壓器的漏磁也是一個(gè)不可忽略的因素。

隨機(jī)干擾也主要來(lái)自電網(wǎng)，電網(wǎng)中大功率電器的啟動(dòng)和關(guān)閉會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生隨機(jī)的尖峰干擾，當(dāng)這種干擾發(fā)生在 A/D 采樣過程中的話，將嚴(yán)重影響測(cè)試數(shù)據(jù)的精度。

為排除上述各種干擾對(duì)輸入電壓變化量ΔVO 測(cè)試的影響，測(cè)試系統(tǒng)需采取以下各種措施 ：

a. 將輸出電壓 VO 的測(cè)量部分放入遠(yuǎn)離電源變壓器的測(cè)試盒內(nèi)，并采取屏蔽措施。

b. 采用無(wú)電流模擬地線技術(shù)，有效隔離數(shù)字地線和模擬地線，減少通過模擬地線引入干擾。

c. 采用有效的數(shù)字處理和軟件濾波技術(shù)，并用軟件調(diào)整測(cè)試采樣周期，使其為工頻周期的整數(shù)倍。

d. 在采樣保持器采樣及 A/D 轉(zhuǎn)換過程中利用 WAIT 信號(hào)迫使 CPU 的總線信號(hào)暫停工作，給模擬系統(tǒng)一個(gè)“安靜”的采樣環(huán)境。

e. 用 74HC 三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)器隔離系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線和 D/A 芯片，杜絕從 D/A 芯片引入高頻干擾。

f. 采用高頻獨(dú)石電容對(duì)系統(tǒng)所需部位進(jìn)行有效的高頻濾波。

g. 對(duì) PCB 板合理布局、布線，模擬部分器件和線路相對(duì)集中、獨(dú)立，并遠(yuǎn)離數(shù)字部分。

三、 STS 2108B 集成穩(wěn)壓器測(cè)試系統(tǒng)

STS 2108B 集成穩(wěn)壓器測(cè)試系統(tǒng)是北京華峰測(cè)控技術(shù)公司自行研制、開發(fā)的模擬電路測(cè)試系統(tǒng)，是 STS 2108A 系統(tǒng)的升級(jí)版本，公司擁有該產(chǎn)品的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

STS 2108B 適用于固定正輸出、固定負(fù)輸出、可調(diào)正輸出和可調(diào)負(fù)輸出穩(wěn)壓器的參數(shù)測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試原理符合國(guó)標(biāo) GB 4377-84。

系統(tǒng)具有 50V 程控輸入電壓范圍和 5A 程控輸出負(fù)載電流的能力，可以完成輸出電壓 VO、基準(zhǔn)電壓 VREF、啟動(dòng)電壓 VST、電壓調(diào)整率 SV、電流調(diào)整率 SI、備用耗散電流 IDS、備用耗散電流變化量ΔIDS(V)、ΔIDS(I)、輸出短路電流 IOS、紋波抑制比 Srip、功率調(diào)整率 SP 等參數(shù)的測(cè)試。

系統(tǒng)在脈沖法測(cè)試方面符合國(guó)軍標(biāo)詳細(xì)規(guī)范 GJB 597/4A-96 規(guī)定的測(cè)試要求，可有效避免被測(cè)器件的熱效應(yīng)對(duì)測(cè)試的干擾，同時(shí)也可避免測(cè)試過程中被測(cè)器件的溫升。

系統(tǒng)選用美國(guó) 3M 公司開爾文電橋四端測(cè)試插座，并全線采用開爾文四端法進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。

由于系統(tǒng)具有良好的測(cè)試精度和穩(wěn)定性，被北京半導(dǎo)體器件五廠、七七一所、四四三三廠等單位做為國(guó)軍標(biāo)集成穩(wěn)壓器生產(chǎn)線指定使用設(shè)備，同時(shí)也被廣大整機(jī)研究所、生產(chǎn)廠和測(cè)試中心選用。