交流特性测量方法 – 第 3 部分

关于交流特性测量方法讨论的一部分描述了短路和过载电流特性、远程开/关控制和隔离电压。它还涵盖了 DC-DC 转换器的隔离电阻和电容、动态负载响应以及输出纹波或噪声。

短路和过载电流

输出短路（S/C）电流是输出引脚相互连接时流过的输出电流。短路通常定义为电阻 <1Ω 的连接或足够低的分流电阻，导致输出电压低于 100mV。对于单输出转换器，短路测试在VOUT+和VOUT-之间进行。对于双极性输出转换器，短路测试可以在 VOUT+ 和 VOUT-、VOUT+ 和公共端或 VOUT- 和公共端之间进行。

低功率、未稳压的 DC/DC 转换器通常没有短路保护。行业惯例是声称具有 1 秒的短路能力。这通常是内部组件过热和烧毁所需的时间。因此，在进行短路测试之前，开发人员必须首先确定转换器是否受 S/C 保护，如果是，则使用哪种保护：具有热关断、电流折返或打嗝保护的功率限制。

过载保护与短路保护不同。如果输出电流超过设定限值，通常为额定输出电流的 110% – 150%，则限流 DC/DC 转换器将允许输出电压降低，以保持电流稳定在此限值。如果负载进一步增加，则输出电压将成比例降低。转换器处于恒定输出功率模式而不是恒定输出电压模式。如果过载被消除，转换器将恢复正常运行，但如果过载持续很长时间，内部功耗增加将导致转换器过热，从而发生故障或进入热关断状态。但如果输出短路，输出电流仍会被限制在设定的限值内，但输出电压会很低，理论上完美短路为零，但实际上只有几毫伏。然后，输出功率也接近于零，并且只要内部组件额定电流较高，转换器就可以无限期地运行。因此，转换器有可能在过载情况下发生故障，但在无限期短路中仍能完好无损。限流保护的一种变体是电流折返保护（图 1）。

输出电流限制和折返特性

当输出电流超过设定限值时，该限值将重置为低得多的限值。DC/DC 转换器处于功率限制模式，但功率比正常操作时低得多。通常必须通过断开转换器与电源的连接来重置此模式。虽然限流或电流折返对于中低功率 DC/DC 转换器来说是非常有效的短路保护方法，但对于较高功率转换器来说它们可能无效。

如果 1 W 转换器具有 150% 的电流限制，则转换器必须在过载或短路条件下应对 500 mW 的额外功耗，但 50 W 转换器必须处理 25 W 的额外功耗。这会使内部组件迅速过热，但过度指定它们来承载这种高故障条件电流在经济上可能不合理。

解决这个问题的方法是使用打嗝保护。当输出电流超过设定限值时，转换器立即关闭。短暂延迟后，转换器尝试重新启动。如果输出电流仍然超过限制，转换器将再次关闭并重复该循环。

打嗝保护的优点是，如果故障条件消除，转换器会在下一个打嗝时自动重新启动。这种保护形式的另一个优点是，虽然短输出脉冲会导致内部功耗暂时较高，但打嗝之间的较长等待时间允许内部组件再次冷却，从而使转换器冷运行而直接短路。

打嗝保护的缺点是高容性负载会触发打嗝机制，并且转换器会拒绝启动到高容性负载。另一个缺点是如果 DC/DC 转换器用于在长电缆网络上提供总线电压。线路上任何地方的短路都会触发打嗝机制，并且打嗝电流尖峰会使定位故障位置变得非常困难。

打嗝特征

使用打嗝保护 DC/DC 转换器测试短路功能的简单方法就是简单地聆听。具有打嗝保护功能的转换器每次尝试重新启动时都会发出“滴答”声。或者，可以使用具有分流器的示波器来监视输出。

要测量限流或电流折返性能，可以使用图 3 中所示的测试设置。在上面的测试设置中，数字万用表 (DMM) 用于直流电流测量模式，并且内部分流电阻器用作短路元件。必须对此进行监控，以检查 DC/DC 转换器输出端子处的电压是否不超过 100 mV。对于较大的短路电流，这会超出数字万用表的测量范围，或导致大于 0.1 V 的压降，应使用外部分流器。选择分流电阻值，使 RS < 0.1 V/ISHUNT 且 PV > 0.1 V ISHUNT。

测量短路特性

远程开/关控制

在许多系统中，希望能够远程打开和关闭 DC/DC 转换器。这可能是出于效率原因以减少能耗或控制加电和断电排序或出于安全原因。因此，许多 DC/DC 转换器都有一个控制输入（开/关控制引脚），通过该输入可以将转换器切换到待机模式。控制引脚是一个易于驱动的引脚，因为任何集电极开路信号或 NPN 晶体管都可用于控制转换器，因为它只需要几毫安的驱动电流即可切换高功率转换器。

应注意控制逻辑的类型。正逻辑意味着转换器在高电平或逻辑“1”信号时打开，在低电平或逻辑“0”信号时关闭。控制输入??在内部被拉高，因此如果未连接，转换器将打开。这种变体更常用，因为如果不需要控制引脚，转换器就会处于活动状态。

对于隔离转换器，数据表还应说明开/关控制所参考的其他引脚。在大多数情况下，参考电位是初级电路的地，但在某些转换器中，开/关控制位于输出侧，并以次级 VOUT- 为参考。如果使能信号源自初级侧，则必须使用光耦合器等隔离元件来切换输出。

所有控制引脚输入都应具有一定的迟滞，以消除缓慢上升的控制信号的重复开关，这种情况可能会发生，例如，如果在控制引脚上使用外部 RC 延迟电路，使转换器等待，直到输入电压达到在尝试启动之前稳定下来（图 4）。数据表指定远程引脚电压 VREMOTE 作为阈值。当 0 < VREMOTE < 1.2 V 时，典型值为逻辑“0”；当 3.5 < VREMOTE < 12 V 时，典型值为逻辑“1”。这意味着，随着 VREMOTE 电压的上升，转换器将在电压超过 1.2 V 时开启，并且VREMOTE 电压下降，当电压降至 3.5 V 以下时，转换器将关闭。

驱动开/关控制引脚的各种方法

隔离电压

在隔离式 DC/DC 转换器中，初级和次级通过变压器隔离和光耦合器隔离分开，这意味着两个电路之间没有直接电流路径，从而实现所谓的电流隔离。隔离电压描述了这种分离的性质。规定了高测试电压；无论是直流电压还是交流电压的均方根值，当电压施加在初级侧和次级侧之间时，不应有明显的电流流过。

直流和交流 HiPot 测试之间的等效性也不是那么简单，因为测试时间超过 1 秒。由于局部放电 (PD) 现象，60 秒的测试会对隔离栅施加更大的压力。局部放电描述了由于内部空隙或不一致而在绝缘介质内的耦合路径之间施加高电压而导致的瞬时击穿。

考虑传统漆包变压器线的结构。（图 5） 绝缘漆通常分几个阶段进行涂覆，因此层与层之间可能存在不连续性，绝缘层内也可能存在空隙。

具有穿过绝缘体的局部放电 (PD) 路径的漆包线的横截面

当隔离介质内发生局部放电时，会产生瞬时电流，但电线仍然是绝缘的。然而，电压应力现在导致绝缘屏障的厚度减小。电压应力可能会从一个弱点跳到下一个弱点，直到终导致完全的输入/输出隔离故障。

这里的关键词是“终”。PD 故障联合起来并导致完全故障需要时间。施加 HiPot 电压的时间越长，发生故障的可能性就越大。因此，1 分钟的 HiPot 测试比 1 秒的典型生产测试压力更大。额定值为 1000 Vdc/1 秒的转换器只能在 500 Vac/1 分钟下进行测试，以减少此类累积 PD 故障导致问题的可能性。

隔离电阻和电容

输入和输出电阻和电容必须使用交流信号进行测量。隔离电阻通常使用兆欧表或类似仪器在 500 Vdc 电压下测量，通常为 10 GΩ 或更高。隔离电容必须在1MHz的高频下测量，以消除板载滤波电容的影响。根据变压器的结构，绝缘电容可以从 5 pF 到 1500 pF 不等。与所有极低电流测量一样，结果可能会受到空气湿度和温度的强烈影响。

动态负载响应

动态负载响应 (DLR) 指定 DC/DC 转换器对负载阶跃变化的反应。它可以用两种方式定义，即输出电压返回到指定输出电压容差范围内所需的时间或输出电压与标称输出电压的偏差或 DLR 的完整定义，两者都需要众所周知，但大多数数据表仅指定稳定时间。此外，一些制造商使用25%至100%负载，一些制造商使用50%至100%负载，还有一些只是说“25%阶跃变化”而没有指定裕度，因此不同制造商的数据表之间的直接比较是不可能的。通常，确定的方法是亲自测试转换器。

输出纹波/噪声

所有 DC/DC 转换器都存在一些输出纹波和噪声因素。纹波分量由输出滤波器电容中的充电和放电电流产生，并且具有工作频率或两倍工作频率的典型频率，具体取决于拓扑。