USB模塊電性能全自動檢測方案及系統的研究

江朝軍 付 杰 王凌霄 余 嘉 勵華東

（公牛集團股份有限公司 檢測中心 慈溪 315314）

引言

科技的進步帶來了信息技術設備的飛躍發展，從早期的MP3、MP4、筆記本電腦，到現在的平板電腦、智能手以及各種智能穿戴設備等，無疑都需要電源給信息及智能設備充電。從而也誕生了相關配套的大量的充電設備廠商，而目前最流行和普及的還是USB電源充電器，典型的如type A口和type C口。隨著行業的相互滲透，USB電源標準的安全與兼容性愈發成熟，除了數碼設備整機廠生產USB電源適配器外，很多其它的廠商也開始研發生產USB電源。當然市面上很多插座上也增加了USB電源接口，包括QC 2.0，QC 3.0，PD等各種快充協議。隨著USB電源產品的市場需求量和占有量的逐漸增大，對電源性能和安全相關的技術指標也越來越受到市場監管和百姓的關注，而各種評測電源安全和性能的各種國內外標準也相繼出臺。USB電源的各種測試項目也是陸續增多，對測試工程師和技術員的基礎知識要求也是越來越高。然而即使具備了專業技能和知識，在設計驗證階段和型式試驗階段對USB電源相關的電性能試驗依然會占據實驗室大量的時間，需要不停地調節AC電壓，頻率，DC負載額定和示波器的觸發帶寬，幅值和時間。而且由于大量的數據填寫和數據計算也會造成測試的數據偏差，給測試工程師和研發工程師帶來較大的困擾和時間成本浪費。基于此現狀，USB電源的自動測試系統的開發實現成為一種新的趨勢。本文將從測試標準的梳理到設備的實現進行闡述。

1 測試標準條款的梳理

1.1 標準方案預研

在設備方案實現前，必須對USB電源行業的相關標準要清晰，才能實現設備的最大化利用。我們在收集了國內外關于USB電源的安全，性能與能效標準后，對測試條款進行了整合與篩選。基于最大程度的自動化考慮，只需給待測產品輸入端接通電源，輸出端接通負載的原則,同時兼顧設備硬件的經濟性選擇，將USB電源測試中的輸入浪涌電流[1]（電源容量要求較大，至少3 kW，價格要高上數倍），共模電壓[1,2]（需要更換水泥負載和調節探頭連接方式），過壓保護[4]（需要破壞芯片反饋回路或者外部加DC電源）3個需要進行特別處理的項目未納入到本設備開發方案內。

1.2 測試標準條款選定

依據1.1標準方案預研中對經濟性與最大化自動測試程度的考慮，選取了USB電源測試中如表1所列的17個測試項目。

表1 USB電源測試項目

2 測試硬件配置

2.1 可編程交流電源

電源為Croma的Model 61501（圖1），額定容量500 VA，輸出電壓范圍0～300 V，分辨率0.1 V，頻率量程 47～63 Hz。

圖1 AC電源

2.2 可程式直流負載

DC負載為Croma的Model 63004-150-60（圖2）功率范圍：0～250 W ，分辨率：2.5 mW，精度：±（0.1 %+ 0.1 %F.S.）；電壓范圍：0～150 V，分辨率：1 mV，精度：±（0.025 % + 0.025 % F.S.）；電流范圍：0～60 A， 分辨率：0.1 mA，精度：±（0.05% + 0.05%F.S.）。

圖2 可程式DC負載

2.3 功率計

功率計為Yokogawa的WT310型號（圖3）。

圖3 功率計

電壓檔位: 15/30/60/150/300/600 Vrms，

精度：±（0.1 %+0.08 %RNG）；

電流檔位: 0.005/0.02/0.05/0.2/0.5/2/5/20 Arms，

精度：±（0.1 %+0.1 %RNG）；

頻率范圍 : DC，15 Hz～10 kHz，

精度：±0.06 %；

功率范圍：75 mW～12 kW，

精度：±（0.1 %+0.1 %RNG）；

最小顯示：電流：1 mA、電壓：1 mV、功率1 mW。

2.4 示波器

示波器為Tektronix的TBS2000B（圖4），差分探頭為 Tektronix的 THDP0200（0～150 V/0～1500 V），DC 檢測探頭為Tektronix的TPP0250（300 V）。

圖4 示波器

2.5 電壓表

分辨率1 mV，精度0.2 %。

3 系統方案實現

3.1 框架搭建

用Labview的開發環境（圖5），將1.2要求中的17個測試項目的具體要求與步驟導入到軟件程序里面，然后通過軟件與AC電源，DC負載，功率計，示波器，電壓表進行通訊，軟件通過繼電器與時序的方式來控制設備電源的開與關，電壓，頻率，負載的各種組合模式的切換，示波器帶寬，幅值，時間軸的切換以及示波器的觸發通道（圖6）。然后軟件將所有需要的測試數據與波形，通過設備上的讀數將其傳輸到PC顯示屏的控制界面上，可以更改測試參數，設定不同的測試電流值，實現USB電源的各種輸出額定測試。

圖5 Labview 開發框架

圖6 測試系統工作框圖

3.2 方案實施細節與要點

電源，負載，示波器，功率計和電壓表通過USB串口線連接到控制模塊上，控制模塊通過PC端軟件頁面來實現所有測試設備的操作指令，如上方式來構成設備。系統軟件上將所有測試項目的細節通過Labview的編程方式實現逐一的測試條款。USB電源上標志如100～240 V 50/60 Hz，那么按照標準在測試執行過程中，需要對90 V、100 V、220 V、240 V、264 V，共5個電壓在兩個不同頻率下分別進行測試。以輸入功率為例，測試數據就有10條，測試系統按照操作指令分別進行上述電壓頻率的測試，測試過程中，電源依據指令輸出不同的電壓，頻率參數，DC負載按照測試電流設置輸出額定負載，而功率計此時顯示電壓，輸入電流，功率因數，輸入功率4個參數，將讀取出的參數顯示在電腦測試軟件頁面表格內。

平均效率[5]是所有測試中數據量最大的項目，而且需要參數的換算，效率簡言之就是輸出功率對輸入功率之比，效率越高說明USB電源的熱損耗越小，也是性能優異的一種體現。美國能源之星和歐盟的ERP都是平均能效的測試標準，里面需要體現工作電壓條件下的空載功耗，10 %，25 %，50 %，75 %和100 %額定輸出負載下的效率，同時需要對25 %，50 %，75 %和100 %效率進行平均，測量平均效率不能超過標準的限值。自動測試系統根據額定輸出電流將上述的所有數據進行讀取記錄，然后軟件將輸出功率與輸入功率之比進行計算，最后獲得平均效率值。在測試系統的構建過程中，需要注意的是由于負載從USB端口拉載之后，由于線損與接觸電阻的原因，會導致DC負載上的電壓值會被拉低，隨著負載的增大，電壓值會逐步變小，那么在效率測試的過程中就會出現偏低的情況。為了改變采樣問題而導致的測試誤差，可以采用最經濟的方式進行解決，就是增加一個電壓表，電壓表與USB電源的板端Vbus和Ground進行連接，而軟件上設置所有電壓的采樣依據電壓表上的讀數來進行記錄與換算，這樣就可以有效的解決線損問題，保證效率值以及其它相關項目的數據準確性。

示波器在自動化系統設備的運用，是為了達到獲取紋波[2]電壓值，開機啟動時間值，輸出保持時間值，輸出電壓上升時間值，輸出電壓下降時間值，輸出過沖百分比和輸出下沖百分比指。示波器差分探頭連接到USB交流電源，低壓探頭連接到DC輸出端口。開機啟動時間和輸出保持時間的測算需要AC電壓上升與DC電壓上升之間的差值；輸出保持時間要讀取交流電壓關閉和直流電壓下降至標準值范圍下限的時間差值；輸出電壓上升時間值利用示波器觸發功能測量輸出電壓在輸出電壓從10 %上升至90 %的時間值；輸出電壓下降時間要求示波器調至下降沿觸發，觸發電平調至2～3 V之間，選擇單次觸發，給產品斷電，讀取下降時間；輸出過沖在示波器調至上升沿觸發，觸發電平調至3～4 V之間，選擇單次觸發，給產品通電，示波器自動抓取到輸出電壓的上升波形，讀取過沖值；輸出下沖在示波器調至下降沿觸發，觸發電平調至2～3 V之間，選擇單次觸發，給產品斷電，示波器自動抓取到輸出電壓的下降波形，讀取下沖值。軟件通過控制模塊來自動設備示波器的觸發時序，電壓幅值，時間和通道，同時利用光標功能將示波器上的時間值與電壓值直接讀取，讀取后原始波形數據以圖形方式呈現在PC系統測試界面上予以保存。

PC 系統操作打開后便可設置所需測試的項目條款，電流參數，只需將待測USB電源樣品輸入端接通AC電源測試工裝端口，DC端負載接通直流負載，板端線接通電壓表，然后一鍵啟動，系統自動測試開始，將所需要的測試數據和波形呈現在測試界面內，測試系統上可以設置相關參數的上限值和下限值，系統在讀取數據后可以對單個的項目進行自動判定，總的測試完成后，測試數據以excel的形式直接保存在指定的路徑，可以查閱和提取數據，觀察測試結果和原始的波形數據。測試系統同時可分為管理員權限和操作員權限兩種進入模式，管理員可以對測試項目的選擇，測試參數的調節，上下限值的設置以及測試的先后順序進行調節處理，將預先要使用的數據參數進行編輯設定，保存好后可供使用。而操作員模式下，只能選擇現有設置保存好的參數進行試驗，更加方便于實驗室內部的管控，由實驗室技術負責人和相應的項目工程師將所需的測試進行編輯，測試工程師可以直接依據要求測試。保證了測試輸入的一致性。

4 測試系統開發的現實意義

信息化產業大量的運用到當今社會的各領域，而越來越多的自動化制造設備和測試設備應運而生。最早由美國NI公司提出的“軟件就是儀器”這一革命性的口號在現代工業，醫療業都得到了淋漓盡致的展現。智能化，自動化會是未來的大趨勢和潮流。類似本文中的設備也有很多，本文介紹的USB電源自動測試系統主要是從筆者多年的安規，性能標準研究與實踐經驗，結合對自動化市場的行情了解，覺得有必要開發設計一款性價比高的測試系統。從硬件與軟件的配合作為切入口，在保證測試精度要實現測試需求的前提下，盡可能去減少測試硬件的數量或者用其它低成本方式來達到同樣效果。（電壓表來代替多通道的功率計）。所以，筆者認為此系統開發的最大現實意義結合檢測技術與標準來開發自動化的測試系統，不僅做到了一種技術創新，而且切實可以達到減少測試成本，提高測試效率，保證測試精度的效果。

5 結束語

本文通過對USB測試系統前期的標準輸入，測試條款選型，到硬件的配置說明，再到具體的方案實施過程的說明。將整個系統的開發背景，過程以及現實意義進行了細節表述。從最經濟和最大化的利用測試系統來替代人員操作的角度作了模塊組網的構思。希望能給相關USB電源，USB插座的生產商和對應的測試實驗室提供一定的幫助，來達到成本和效益的最大化利用。