如何用电子负载测试双向直流电源的ESR和IR？

使用电子负载测试双向直流电源的等效串联电阻（ESR）和瞬态内阻（IR）时，需结合电子负载的恒流（CC）、恒压（CV）模式以及动态切换功能，通过测量电压和电流的瞬态变化来计算电阻值。以下是具体方法及步骤：

一、测试原理

1. ESR（等效串联电阻）
   ESR是电源在稳态下的直流内阻，反映电源在持续负载下的能量损耗。其计算公式为：

其中，ΔV为电压变化量，ΔI为电流变化量。

2. IR（瞬态内阻）
   IR是电源在瞬态负载变化时的动态内阻，反映电源对快速负载变化的响应能力。其测试需捕捉瞬态过程中的电压和电流尖峰，计算瞬态电阻值。

二、测试设备与条件

• 电子负载：支持恒流（CC）模式、恒压（CV）模式及动态切换功能，具备高采样率（≥1MHz）以捕捉瞬态变化。
• 双向直流电源：需测试其在源模式（输出功率）和负载模式（吸收功率）下的特性。
• 示波器：用于同步监测电压和电流波形（若电子负载无内置测量功能）。
• 测试连接：确保电源与电子负载之间的连接线阻抗极低（如使用短粗导线），避免引入额外电阻。

三、测试步骤

1. 测试ESR（稳态内阻）

方法一：恒流法

1. 设置电子负载为CC模式：设定一个恒定电流 I1（如电源额定电流的50%），记录电源输出电压 V1。

2. 改变电流至 I2（如额定电流的80%），记录新电压 V2。

3. 计算ESR：

注意：需确保电流变化范围在电源线性工作区内，避免非线性效应影响结果。

方法二：恒压法（适用于高精度测试）

1. 设置电子负载为CV模式：设定一个恒定电压 V1（接近电源额定电压），记录电源输出电流 I1。

2. 微调电压至 V2（如降低100mV），记录新电流 I2。

3. 计算ESR：

2. 测试IR（瞬态内阻）

方法：动态负载切换法

1. 设置电子负载为动态模式：配置快速电流切换（如从 Ilow 切换至 Ihigh），切换时间需小于电源响应时间（通常为微秒级）。

   • 示例：Ilow=0.1A，Ihigh=5A，切换时间 trise=10μs。

2. 同步触发示波器：捕捉电源输出电压和电流的瞬态波形。

3. 测量瞬态电压跌落 ΔVdip 和电流上升 ΔIstep：

   • ΔVdip：电压在电流切换瞬间的最低值与稳态值的差值。
   • ΔIstep：电流切换的步进值（Ihigh−Ilow）。

4. 计算IR：

注意：需多次测试取平均值，以消除接触电阻和测量噪声的影响。

四、双向电源的特殊测试

1. 源模式测试：
   • 电源作为输出端，电子负载作为负载端，按上述方法测试ESR和IR。
2. 负载模式测试：
   • 电源作为能量吸收端（如再生制动场景），电子负载作为源端，反向测试ESR和IR。
   • 步骤：

     1. 设置电子负载为CV模式，输出恒定电压 Vbus。

     2. 配置电源为负载模式，吸收电流从 Ilow 切换至 Ihigh。

     3. 测量电源输入电压的瞬态尖峰 ΔVspike 和电流变化 ΔIstep。

     4. 计算负载模式下的IR：

五、测试优化与注意事项

1. 降低接触电阻：
   • 使用四端子连接法（Kelvin连接），分离电流路径和电压测量路径。
   • 清洁连接端子，避免氧化层增加接触电阻。
2. 提高测试精度：
   • 使用高精度电子负载（如程控电子负载，精度≥0.01%+0.01%FS）。
   • 示波器带宽需≥100MHz，采样率≥1GSa/s。
3. 避免非线性效应：
   • 确保电流切换范围在电源线性工作区内（如避免接近短路或开路状态）。
   • 若电源含保护电路（如过流保护），需在测试中触发保护前完成数据采集。
4. 温度控制：
   • ESR和IR受温度影响显著，需在恒温环境下测试，或记录测试温度并修正结果。

六、实际应用示例

测试场景：评估双向直流电源在电动汽车电池模拟器中的性能。

1. 源模式ESR测试：

   • 设置电子负载为CC模式，电流从2A切换至10A，记录电压从12.5V跌落至12.3V。

   • 计算ESR：

2. 负载模式IR测试：

   • 设置电子负载为CV模式（12V），电源吸收电流从1A切换至20A，记录电压尖峰从12V升至12.2V。

   • 计算IR：

3. 结果分析：
   • 源模式ESR较高，可能因电源输出滤波电容容量不足。
   • 负载模式IR较低，表明电源吸收能量时动态响应较好。