如何用网络分析仪测试双向直流电源的温升曲线？

温升曲线是评估双向直流电源热性能的关键指标，反映其在不同负载条件下温度随时间的变化规律。使用网络分析仪测试温升曲线需结合热电偶、数据采集模块等设备，通过间接或直接方法监测电源内部关键点的温度变化。以下是详细步骤与关键要点：

一、测试原理

1. 温升曲线本质：
   • 温升曲线描述电源在持续工作或负载变化时，内部关键部件（如功率器件、电感、变压器）的温度随时间上升至稳态的过程。
   • 双向电源需分别测试正向（放电）和反向（充电）模式的温升特性，因两种模式下功率损耗分布和散热路径可能不同。
2. 网络分析仪的间接作用：
   • 网络分析仪本身无法直接测量温度，但可通过以下方式间接参与测试：
     • 监测功率器件的动态参数：如开关管的导通电阻（RDS(on)）、结电容（Coss）等，这些参数随温度升高而变化，可间接反映温度趋势。
     • 结合热阻模型：通过测量功率损耗（如开关损耗、导通损耗）和热阻参数，计算温升曲线。
     • 触发同步测试：与数据采集模块同步，标记温度数据的时间戳，确保温升曲线与负载变化的时间对应。

二、所需设备

1. 网络分析仪：双端口，频率范围覆盖电源动态响应关键频段（如10Hz-1MHz），用于监测功率器件的动态参数。
2. 热电偶（或红外测温仪）：K型或J型热电偶，测量精度±1℃，用于直接测量电源内部关键点的温度。
3. 数据采集模块：多通道，采样率≥1Hz，用于记录热电偶的电压信号并转换为温度值。
4. 电子负载：可编程，支持恒流（CC）、恒压（CV）模式，模拟不同负载条件。
5. 功率分析仪：测量电源的输入/输出功率，计算功率损耗（Ploss=Pin−Pout）。
6. 隔离变压器/注入耦合器：将网络分析仪的输出信号隔离注入电源输出端（若需监测动态参数）。
7. 测试夹具与校准件：SMA接口测试夹具、短路（Short）、开路（Open）、负载（Load）校准套件。

三、测试步骤

1. 设备校准

• 网络分析仪校准：
  • 执行全双端口校准（SOLT），消除测试线缆和夹具的损耗及相位误差。
  • 校准后保存数据，确保后续监测功率器件参数的准确性。
• 数据采集模块校准：
  • 将热电偶连接至数据采集模块，使用标准温度源（如冰点槽、恒温水浴）校准各通道，确保温度测量精度。

2. 测试连接

• 温度传感器布置：
  • 在电源内部关键点粘贴热电偶，如：
    • 功率器件：MOSFET、IGBT的散热片或管壳。
    • 磁性元件：电感、变压器的绕组或磁芯。
    • PCB热点：高功率密度区域的铜箔或过孔。
  • 使用导热胶或高温胶带固定热电偶，确保良好热接触。
• 网络分析仪连接：
  • 正向模式（放电）测试：
    1. 将网络分析仪Port 1通过隔离变压器连接至电源输出端，注入小信号扰动（若需监测输出动态参数）。
    2. Port 2连接至功率器件的栅极（Gate）或源极（Source），监测开关管的动态参数（如RDS(on)、Coss）。
  • 反向模式（充电）测试：
    1. 将网络分析仪Port 1连接至电源输入端，注入小信号扰动（若需监测输入动态参数）。
    2. Port 2连接至充电控制电路的关键节点（如PWM信号端），监测控制环路的动态响应。
• 电子负载与功率分析仪连接：
  • 电子负载连接至电源输出端，设置为恒流或恒压模式，模拟不同负载条件。
  • 功率分析仪连接至电源输入和输出端，测量输入功率（Pin）和输出功率（Pout），计算功率损耗（Ploss）。

3. 参数设置

• 网络分析仪设置：
  • 频率范围：10Hz-1MHz，覆盖电源动态响应关键频段。
  • 输出功率：-20dBm（约100mVpp），避免干扰电源正常工作。
  • 中频带宽（IF BW）：1kHz-10kHz，平衡测量速度与噪声抑制。
  • 显示格式：选择对数坐标显示增益（∣S21∣）和相位（∠S21），或时域波形显示动态参数变化。
• 数据采集模块设置：
  • 采样率：1Hz-10Hz，根据温升速度调整（如快速温升阶段需更高采样率）。
  • 记录时长：根据电源热时间常数设置（如数小时），确保捕捉到稳态温升。
• 电子负载设置：
  • 正向模式：设置为恒流模式（如Iload=2A），模拟放电负载。
  • 反向模式：设置为恒压模式（如Vload=48V），模拟充电负载。
  • 若需模拟负载变化，可设置阶跃或正弦波电流/电压信号。

4. 数据采集

• 同步启动测试：
  1. 启动数据采集模块，开始记录热电偶的温度数据。
  2. 启动网络分析仪，监测功率器件的动态参数（如RDS(on)随时间的变化）。
  3. 启动电子负载，施加预设的负载条件（如恒流2A）。
  4. 启动功率分析仪，记录输入/输出功率和功率损耗。
• 关键数据记录：
  • 温度数据：各热电偶的温度随时间变化曲线。
  • 动态参数数据：网络分析仪记录的功率器件参数（如RDS(on)）随时间变化曲线。
  • 功率数据：功率分析仪记录的输入/输出功率和功率损耗随时间变化曲线。

5. 数据分析

• 温升曲线绘制：
  • 以时间为横轴，温度为纵轴，绘制各关键点的温升曲线。
  • 标识关键时间点（如温升至稳态的90%所需时间）。
• 动态参数与温度关联分析：
  • 将网络分析仪记录的功率器件参数（如RDS(on)）与温度数据进行关联，验证参数随温度的变化规律（如RDS(on)随温度升高而增大）。
• 功率损耗与温升关系验证：

  • 根据功率分析仪计算的功率损耗（Ploss）和电源的热阻参数（如RθJA），计算理论温升曲线：

• 将理论曲线与实测曲线对比，验证热模型的准确性。

• 双向模式对比：

  • 比较正向和反向模式的温升曲线，分析两种模式下功率损耗分布和散热路径的差异。
  • 若反向模式温升更高，可能需优化充电控制策略或散热设计。

四、关键注意事项

1. 热电偶布置合理性：
   • 热电偶需布置在电源内部实际热点位置，避免仅测量外壳温度。
   • 若电源封装密封，需通过热传导胶或钻孔安装热电偶（需确保不影响电气性能）。
2. 网络分析仪的干扰抑制：
   • 网络分析仪注入的信号幅值需足够小（如<1%额定输出电压/电流），避免干扰电源正常工作。
   • 若使用输出端扰动法，需确保注入信号频率远离电源开关频率及其谐波（如避开100kHz开关频率的整数倍）。
3. 数据同步性：
   • 数据采集模块、网络分析仪和电子负载需同步启动，确保温升曲线、动态参数和负载变化的时间对应。
   • 可使用触发信号或共享时钟实现同步。
4. 安全防护：
   • 高压测试时，佩戴绝缘手套，使用高压隔离探头。
   • 热电偶线缆需远离高压部件，避免短路风险。
5. 双向电源特性：
   • 双向电源的正向和反向模式可能采用不同的控制策略（如电压模式/电流模式），需分别测试。
   • 在反向模式下，电源可能表现为电流源，需调整测试方法（如注入电压信号测量电流响应）。

五、测试优化建议

1. 结合热仿真验证：
   • 使用热仿真软件（如ANSYS Icepak、Flotherm）建立电源的热模型，输入功率损耗数据，预测温升曲线。
   • 将仿真结果与实测曲线对比，优化热设计（如增加散热片面积、改进风道设计）。
2. 多负载条件测试：
   • 测试不同负载电流/电压下的温升曲线（如轻载、满载、过载），评估电源的适应性。
   • 若需模拟实际工况，可设置负载循环测试（如间歇性高负载）。
3. 自动化测试脚本：
   • 编写自动化测试脚本（如LabVIEW或Python），控制网络分析仪、数据采集模块和电子负载同步动作，提高测试效率。
4. 长期稳定性测试：
   • 延长测试时长（如24小时以上），评估电源在长期工作下的温升稳定性。
   • 监测温升是否随时间漂移（如因元件老化导致热阻增加）。