一種多路高壓電源測試系統的設計

郭云輝

摘要：介紹一種多路高壓測試系統的設計方案，并簡要的介紹其電路結構、電路設計、工作原理和技術指標。該設備主要用于實驗室和高壓電源的生產、調試及故障檢修。該系統可測量的額定最大電壓值為20kV，并可提供0-400μA連續可變的恒流負載。

關鍵詞：高壓電源組件；測試儀；負載模擬

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0175-02

1 電路結構和主要技術指標

測試儀由電壓測試組、通訊網絡、中央工控機三大部分組成。根據測量的電壓范圍段進行分組，如高壓測試組、中低壓測試組，各測試組均通過485通訊電纜連接到中央工控機，構成一點對多點的拓撲網絡。通過高性能的中央工控機統一管理各測試組的測量作業；對測量模塊返回的測試結果進行分析判斷、存儲。

軟件設計上分成上位機軟件（運行在中央工控機上）與下位機（運行在各測量模塊中）兩部分。通過仔細的用戶需求分析，精心設計數據庫和任務調度模塊，提供良好的用戶圖形界面，以使用戶操作簡單、正確。本測試儀由測試組、通訊網、中央控制機三大部分組成，組成結構示意圖如圖1。

2 測試模塊工作原理與硬件設計

高壓測試模塊采用數字式高壓電位計方式測量被測高壓，當電路平衡時測試模塊等效輸人阻抗為無窮大；通過內部處理器的實時計算，輸出控制信號，使得數字電位差計處于不平衡狀態以模擬不同的負載電流或負載電阻。

2.1 測量原理

利用電位差計原理，回路電流為0時，電路平街，此時測得的電壓即為待測電壓。如圖2所示，當內部數控電源產生電壓與接入的電源組件電壓相等時，回路電流為0，通過測量單元讀出的電壓即為待測電源模塊電壓。

圖2中G為模擬的電位差計，Ex為待測電源組件輸出電壓，Et為測量模塊內部數控電源產生的匹配電壓，當Ex=Et時，電位差計達到平衡，此時測量單元測出的電壓即為待測電壓。

2.2 負載模擬原理

電子負載同普通電阻負載和其他能耗式負載一樣，其基本功能是完成電源組件的試驗，即能夠模擬普通電阻負載的輸出特性。如圖所示，電源組件輸出的電壓作為模擬負載的輸人，圖3中的“負載模擬單元”是系統的核心部分，用以取代傳統的電阻能耗型負載。

2.3 等值電路和數學模型

圖3中的“負載模報單元”所模擬的負載一般可以等效為電感和電阻的串聯，設被試電源的輸出電壓為Ud。同理，電子負載可以模擬實際的阻感負載和電阻負載，在分別模擬阻感負載與電阻負載時，其等值電路應同實際的阻感、電阻負載相同，分別如圖4所示。

在模擬阻感負載時直流側電壓Ud恒定，電源組件的輸出電壓在一定范圍內恒定，電源輸出電流的大小，正比于負載側電流的大小，而電流的設定值若按式（3）的給定進行控制，則成功地控制了電源組件輸出電流的大小，即成功地模擬了R、L性質的負載，此時通過對R、L值的設定即可實現對模擬功率的設定。同樣更為簡單的情況下，模擬純電阻負載時，電流設定值按式（4）的給定取值即可。

3 方案分析與仿真計算

電壓測量和負載模擬是整個測試儀的兩大核心任務 ，在實際的設計工作中預備幾種解決方案，通過反復的仿真和實驗選擇最佳方案。

3.1 電信測量

（1）電壓測量前提。在精密高壓數控電器的輸出范圍（Vlowset～1Vhighest）內平均N等份，處理器的輸出為Nbotmm～1Ntop（Ntop=N）。假設處理器輸出值為Nx，則在數控電源的輸出電壓為（Nx/Ntop）×Vhighest。

（2）自動測量的原理：找到一個N使得精密高壓數控電源的輸出等于外界輸入電壓，使電路達到平衡，通過測量單元測出當前電壓值。

（3）軟件算法描述。

第一步：讀取ADC的采樣值。

第二步：若回路電壓方向發生變化，則采用分法通近電流過零點。先采用小步長，逐次逼近得測電壓，若干次后，如果數控電源輸出電壓還是小于待測電壓，則增大步長，增大輸出電壓；如果數控電源輸出大于待測電壓，則減小步長，減小輸出電壓。

重復達代第二步，直至回路電流為0。

第三步：電壓平衡，發送此時的測量數據給上位機。

3.2 模擬負載

（1）模擬負載原理。由I=U/R，跟隨U的變化情況，通過調節處理器PWM輸出的占空比，經U/I轉換后輸出電流返回給電源組件，精確控制I的輸出大小就可模擬出所需負載阻抗。

（2）軟件算法描述。

第一步：測量端口輸人的電壓，即電源的輸出電壓U。根據用戶輸人的期望負載值R，設定PWM輸出占空比，通過U/I轉換轉換成電流回送給電源組件。

第二步：測量當前端口電壓Ui，回路電流Ii，計算當前的負載值Ri與設定值R的偏差ΔRi=Ui/Ii-R0，

∑ΔR=∑ΔRi。

第三步：若∑ΔR≥+0.5%R，增大PWM輸出占空比，使回路電流增大，從而U/I的比值變小，否則重復第二步；若∑ΔR≤-0.5%R，減小PWM輸出占空比，使回路電流減弱，從而U/I的比值變大，否則重復第二步。

4 結語

采用電位差計方式可以消除電源內阻對電壓測量結果的影響，電壓測量結果是電源的真實輸出電壓，0～400μA的電流模擬，使系統能夠測得高壓組件在各種負載情況下的輸出狀況，本套設計方案針對不同高中低擋高壓電源的電壓自動檢測，負載模擬，多參數測量記錄是非常有意義的。

參考文獻

[1]于海生.微型計算機控制技術[M].北京：清華大學出版社，1999.