一种多路高压电源测试系统的设计

2018-12-08郭云辉

数字技术与应用 2018年8期

关键词：测试仪

郭云辉

摘要：介绍一种多路高压测试系统的设计方案，并简要的介绍其电路结构、电路设计、工作原理和技术指标。该设备主要用于实验室和高压电源的生产、调试及故障检修。该系统可测量的额定最大电压值为20kV，并可提供0-400μA连续可变的恒流负载。

关键词：高压电源组件；测试仪；负载模拟

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0175-02

1 电路结构和主要技术指标

测试仪由电压测试组、通讯网络、中央工控机三大部分组成。根据测量的电压范围段进行分组，如高压测试组、中低压测试组，各测试组均通过485通讯电缆连接到中央工控机，构成一点对多点的拓扑网络。通过高性能的中央工控机统一管理各测试组的测量作业；对测量模块返回的测试结果进行分析判断、存储。

软件设计上分成上位机软件（运行在中央工控机上）与下位机（运行在各测量模块中）两部分。通过仔细的用户需求分析，精心设计数据库和任务调度模块，提供良好的用户图形界面，以使用户操作简单、正确。本测试仪由测试组、通讯网、中央控制机三大部分组成，组成结构示意图如图1。

2 测试模块工作原理与硬件设计

高压测试模块采用数字式高压电位计方式测量被测高压，当电路平衡时测试模块等效输人阻抗为无穷大；通过内部处理器的实时计算，输出控制信号，使得数字电位差计处于不平衡状态以模拟不同的负载电流或负载电阻。

2.1 测量原理

利用电位差计原理，回路电流为0时，电路平街，此时测得的电压即为待测电压。如图2所示，当内部数控电源产生电压与接入的电源组件电压相等时，回路电流为0，通过测量单元读出的电压即为待测电源模块电压。

图2中G为模拟的电位差计，Ex为待测电源组件输出电压，Et为测量模块内部数控电源产生的匹配电压，当Ex=Et时，电位差计达到平衡，此时测量单元测出的电压即为待测电压。

2.2 负载模拟原理

电子负载同普通电阻负载和其他能耗式负载一样，其基本功能是完成电源组件的试验，即能够模拟普通电阻负载的输出特性。如图所示，电源组件输出的电压作为模拟负载的输人，图3中的“负载模拟单元”是系统的核心部分，用以取代传统的电阻能耗型负载。

2.3 等值电路和数学模型

图3中的“负载模报单元”所模拟的负载一般可以等效为电感和电阻的串联，设被试电源的输出电压为Ud。同理，电子负载可以模拟实际的阻感负载和电阻负载，在分别模拟阻感负载与电阻负载时，其等值电路应同实际的阻感、电阻负载相同，分别如图4所示。

在模拟阻感负载时直流侧电压Ud恒定，电源组件的输出电压在一定范围内恒定，电源输出电流的大小，正比于负载侧电流的大小，而电流的设定值若按式（3）的给定进行控制，则成功地控制了电源组件输出电流的大小，即成功地模拟了R、L性质的负载，此时通过对R、L值的设定即可实现对模拟功率的设定。同样更为简单的情况下，模拟纯电阻负载时，电流设定值按式（4）的给定取值即可。

3 方案分析与仿真计算

电压测量和负载模拟是整个测试仪的两大核心任务，在实际的设计工作中预备几种解决方案，通过反复的仿真和实验选择最佳方案。

3.1 电信测量

（1）电压测量前提。在精密高压数控电器的输出范围（Vlowset～1Vhighest）内平均N等份，处理器的输出为Nbotmm～1Ntop（Ntop=N）。假设处理器输出值为Nx，则在数控电源的輸出电压为（Nx/Ntop）×Vhighest。

（2）自动测量的原理：找到一个N使得精密高压数控电源的输出等于外界输入电压，使电路达到平衡，通过测量单元测出当前电压值。

（3）软件算法描述。

第一步：读取ADC的采样值。

第二步：若回路电压方向发生变化，则采用分法通近电流过零点。先采用小步长，逐次逼近得测电压，若干次后，如果数控电源输出电压还是小于待测电压，则增大步长，增大输出电压；如果数控电源输出大于待测电压，则减小步长，减小输出电压。

重复达代第二步，直至回路电流为0。

第三步：电压平衡，发送此时的测量数据给上位机。

3.2 模拟负载

（1）模拟负载原理。由I=U/R，跟随U的变化情况，通过调节处理器PWM输出的占空比，经U/I转换后输出电流返回给电源组件，精确控制I的输出大小就可模拟出所需负载阻抗。