基于低頻噪聲測量的UPS故障診斷方法*

陳曉娟，陳東陽，申雅茹

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

CHEN Xiaojuan*，CHEN Dongyang，SHEN Yaru

(Information Engineer Institute，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

UPS是一種采用逆變原理將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為計算機供應(yīng)穩(wěn)定、連續(xù)、無干擾的電源，以保證計算機正常工作的精密電子設(shè)備。目前，大部分的UPS產(chǎn)品使用的功率VDMOS管作為其逆變器的核心器件。然而，由于功率VDMOS管在高功率、大電流且快速開關(guān)的工作狀態(tài)下，其導(dǎo)通電阻迅速增大，使得功率VDMOS管產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這大大限制了功率VDMOS管的擊穿電壓，導(dǎo)致UPS由于功率VDMOS管軟擊穿現(xiàn)象而無法正常工作［1］。

針對以上問題，本文提出了一種低頻噪聲測量LFNM(Low Frequency Noise Measurement)無損檢測的方法，建立了功率VDMOS器件的低頻噪聲模型，設(shè)計了帶補償網(wǎng)絡(luò)的超低噪聲低頻放大器，它能夠很好地獲取UPS逆變器電路中功率VDMOS管的低頻噪聲，實現(xiàn)了對UPS電路故障的早期故障預(yù)警。

1 UPS電路的LFNM

一個簡化的LFNM系統(tǒng)框圖及各部分組成情況如圖1所示。

上述所有測量參數(shù)均在理想狀態(tài)下，尤其是溫箱的溫度和UPS偏置電路能夠被外部控制器(通常為PC)設(shè)置，這使得自動噪聲測量成為了可能。然而，這種情況實現(xiàn)的可能性畢竟很小，盡管一些低噪聲可編程偏壓源Low Noise Programmable Biasing Sources(LNPBS)的例子已經(jīng)被驗證是可行的，但是由于尺寸大小、高昂的費用以及它們的采用會使得整個LFNM系統(tǒng)變得復(fù)雜等緣故，進而限制了它們的使用［2］。

圖1 UPS電路LFNM系統(tǒng)框圖

2 VDMOS器件的低頻噪聲

功率VDMOS器件是一種表面效應(yīng)器件，表面載流子漲落是其1/f噪聲的主導(dǎo)因素。多數(shù)情況下，1/f噪聲是由于OMTC(Oxidizing Material Trap Charges)中

3 超低噪聲低頻放大系統(tǒng)的設(shè)計

3．1 低噪聲設(shè)計

根據(jù)測試要求，本文設(shè)計的放大器所遵循的原則為:

(1)選擇En、In盡量小的低噪聲器件，同時要考慮到信號源(這里是被測噪聲源)的噪聲匹配，即最佳源阻抗應(yīng)與信號源阻抗的匹配。從而保證前置級工作在最小噪聲狀態(tài)。

(2)根據(jù)非噪聲質(zhì)量指標(biāo)水平來對放大鏈后級進行設(shè)計，即根據(jù)一般增益情況和整體性能的要求來決定采取的放大形式和鏈長等。

根據(jù)弗里斯(Friis)公式:

可知，在整個放大電路中，首級放大電路對噪聲系數(shù)的影響是最大的，所以輸入級的噪聲性能設(shè)計的好，則整個放大器的性能就會提升。為了降低放大器背景噪聲，輸入級電路要具有較大的開環(huán)電壓增益和短路電流增益，因此，本文前置放大器選取共射組態(tài)［5］。

在低噪聲設(shè)計中，為減小從放大電路引入器件噪聲，避免其對DUT的噪聲信號產(chǎn)生影響，需要精心選擇放大電路的元器件，采用蓄電池供電，并且各器件及連接導(dǎo)線接頭的焊點力求表面光滑，無尖角

式中:A是白噪聲值;B是1/f噪聲幅值;α為1的常數(shù);Ci表示g－r噪聲的幅度;foi為第i個g－r噪聲的轉(zhuǎn)折頻率;N為g－r噪聲的量度。因而，功率VDMOS管能否正常工作，可通過其1/f噪聲表現(xiàn)來判斷，功率VDMOS器件的1/f噪聲特征如圖2所示。的載流子數(shù)波動引起的，而且溝道內(nèi)遷移率升降對其也有很大的影響。氧化層陷阱的表面勢被電荷的波動所調(diào)制，這導(dǎo)致了溝內(nèi)的載流子數(shù)目無規(guī)則變化，同時，庫侖散射也將被調(diào)制，并且引起溝的遷移率的升降，因此，導(dǎo)致溝道電流的變化［2－3］。與電子元器件的低頻噪聲模型建立類似，利用噪聲疊加原理來建立VDMOS管的噪聲模型，即把可以影響UPS低頻噪聲的VDMOS器件的噪聲參數(shù)疊加取平均，用以來表示其噪聲參數(shù)模型。其低頻噪聲通常表現(xiàn)為1/f噪聲、g－r噪聲、白噪聲等的疊加，式(1)為它的功率譜密度［4］。及突起，應(yīng)在外面刷絕緣漆進行密封保護，以減少從焊點引入的外部噪聲影響。電阻用線繞電阻器，使其最大化降低噪聲。

3．2 低噪聲前置放大電路設(shè)計

該電路的主要功能是將UPS中逆變器的核心器件功率VDMOS管的輸出的噪聲作為信號，經(jīng)濾波后用放大器放大，放大器的輸入方式一般采用差模方式。前置放大電路要具有較低的噪聲，有較高的輸入阻抗和較大的共模抑制比，并且測量精度高，穩(wěn)定性良好等特性。

針對降低前置放大器的等效輸入噪聲電壓EIVN(Equivalent Input Voltage Noise)的問題，本文提出的解決方案是通過調(diào)整用在放大鏈第1級的有源器件來使之降低。由于分立元件EIVN的表現(xiàn)是最佳的，所以通常在輸入級使用分立元件，本文選取了成匹配對的雙極性晶體管SSM2220作為最低EIVN的輸入級，通過這個設(shè)計，可以獲得很好的EIVN 表現(xiàn)［6］。

圖3(c)給出了前置放大電路的原理圖，該電路采用兩級放大形式，總增益為80dB。區(qū)別于鎖相放大器和BrookDeal5003(BD5003)等前置放大器，本放大電路的輸入級采用直流耦合的形式，它可提供34 dB的增益。

圖2 功率VDMOS器件的1/f噪聲特征

圖3 帶補償網(wǎng)路的前置放大器電路原理圖及前端測試電路

從電路圖中可以看出，圖3(c)中的輸入三極管Q3和Q4的使用可以使電源阻抗的噪聲值減少30Ω～50Ω，由Q1和Q2組成的鏡像電流源推動輸入三極管，使得輸入三極管獲得大約0．25 mA的射極電流。低噪聲運算放大器(OP27)的使用是為了獲得高的電壓增益值，它的閉環(huán)增益可以通過R12/R1來設(shè)置。第2級引入了更進一步的放大，它是交流耦合的，這可以消除第1級輸出端的直流分量。為了使得交流耦合的頻率在所期望的頻率范圍內(nèi)，本文選擇了東芝公司的2SK146作為輸入部分，它是一款低噪聲的FET，具有非常的低等效輸入電流噪聲。其中一個FET作為電流源為另一個FET提供漏級電流，這個方案最大限度的降低了來自運算放大器反相輸入端的解耦電源的噪聲的影響。與第1級相比，第2級是使用微分配置的輸入級來解決降噪的。第1級高的增益值與第2級低噪聲指數(shù)相結(jié)合使得整個放大電路的噪聲功率譜與第1級相近。并且第2級采用了交流耦合，第2級輸出端的直流分量只來自于OP17的失調(diào)電壓，其數(shù)值小于 2 mV［7］。

在前置放大電路的末端增加了一個補償網(wǎng)絡(luò)，運放U3和電阻R15，電容C6組成一個積分器，它的現(xiàn)實的是積分和倒相的功能，這可以大大降低失調(diào)電壓對產(chǎn)生的電路影響。

3．3 濾波器的設(shè)計

為了降低其他干擾信號，加人了50 Hz陷波濾波器和帶通濾波器。

50 Hz陷波濾波器的基本構(gòu)成是一個減法器和帶通濾波器的結(jié)合，主芯片是LT1112，采用雙T型網(wǎng)路構(gòu)成，基本保證了在其阻帶內(nèi)的增益為零，此陷波器具有良好的選頻特性和較高的Q值。它的作用是將逆變器輸出的工頻信號濾除掉，以減少對所要采集的低頻噪聲的干擾。其電路原理圖如圖 3(b)所示［8］。

由陷波濾波器的標(biāo)準(zhǔn)形式可知:

其中心頻率f0的計算公式為:

如圖 3(d)所示［9－10］，帶通濾波器是由一片LT1112運放構(gòu)成，由此運放構(gòu)成的帶通濾波器具有較低的輸出阻抗、較高的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗，而且還具有一定的電壓放大和緩沖作用，在弱信號檢測中具有良好的性能表現(xiàn)。

這里令中心頻率為式(8)電壓放大倍數(shù)為，

同相比例運算電路輸入比例系數(shù)為，

經(jīng)計算，上、下限截至頻率分別為，

可得其通頻帶為，

4 測試結(jié)果

基于上述方法，對兩臺山特公司生產(chǎn)的MT1000－PR0型UPS進行低頻噪聲測試。其低頻噪聲測試結(jié)果如表1和表2所示。由測試結(jié)果可知，MT1000－PR0型UPS的低頻噪聲主要是1/f噪聲，而且表現(xiàn)出隨著頻率的增加幅值減小的特性，但也有部分表現(xiàn)出具有額外的g－r噪聲，這表明UPS內(nèi)部存在軟故障。電流傳輸比的測試結(jié)果表明，其中一臺UPS在工作點處的CTR明顯小于另一臺 UPS［11］。

表1 低頻噪聲功率譜測試結(jié)果

表2 低頻噪聲功率譜測試結(jié)果

放大電路的背景噪聲驗證，經(jīng)測試，與鎖相放大器和BD5003相比，其噪聲性能得到了顯著的改善，在實現(xiàn)對低頻噪聲放大上，有著明顯的性能優(yōu)勢［12］。本文設(shè)計的放大器與鎖相放大器和BD5003的EIVN譜情況如圖4所示。

圖4 前置放大器的的EVIN對比圖

5 結(jié)論

本文提出了一種針對UPS低頻噪聲測量的故障診斷方法，明確了對應(yīng)的測試系統(tǒng)的構(gòu)建原理及性能要求。建立了功率VDMOS器件的噪聲模型;提出了一種帶補償網(wǎng)絡(luò)的低噪聲前置放大器，該放大器不僅能滿足放大要求，而且其背景噪聲與鎖相放大器和BD5003相比，顯著降低。對UPS的低頻噪聲測試結(jié)果表明，采用該方法可準(zhǔn)確地獲取UPS核心逆變器件VDMOS低頻噪聲，并且在準(zhǔn)確率上較傳統(tǒng)方法提高了85%，實現(xiàn)了對UPS故障的行初步檢測與評估，提高了系統(tǒng)應(yīng)用時的適用性。

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