一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法，所测量的直流电源输出阻抗是定义在具体的工作点、具体的测试截面，从测试截面朝电源的方向看所呈现出的等效阻抗，克服由于负载输入阻抗的影响而造成的测量过程的系统偏差。本发明专利技术的测量装置，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，扫频相量分析模块还和控制计算机连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直流电源系统阻抗测量
，特别是涉及。
技术介绍
直流电源系统是由电源和许多负载组成的系统，电源系统阻抗可以分成电源输出阻抗和负载输入阻抗两个部分。电源输出阻抗是反映电源系统的供电质量、兼容性、稳定性的重要技术指标，负载输入阻抗是反映输入滤波器或电源转换器DC-DC抑制传导干扰、抑制反射功率的重要技术指标。两者合起来统称电源系统阻抗。 电源系统设计和用电负载设计往往是由不同的研制单位，在不同的时间完成的。例如VXI、PXI机箱电源、计算机电源母线、通讯电源母线、航天器电源母线以及国际空间站电源等等。只有在电源输出阻抗确定下来后，再要求所有负载并联后的输入阻抗远远大于电源输出阻抗，才能保证系统稳定。电源输出阻抗参数成为设计电源系统和负载的重要数据。只有实际测量出电源输出阻抗和负载输入阻抗才能用定量的数据检验设计指标，在电源系统出现干扰时也需要实际测量电源输出阻抗来在线查找原因。目前国外航天器电源已经使用电源输出阻抗作为技术指标来评价电源的品质，在欧空局的技术规范中规定了航天器输出阻抗的特性曲线要求，并且规定了级联的DC-DC电源稳定性要求。国际空间站电源系统为了适应来自各个国家和来自不同公司的用电负载，特别规定了电源输出阻抗和负载输入阻抗的限制范围，以保证整个系统稳定运行。因此，如果没有可靠的电源输出阻抗测量技术，就难以对电源和负载的系统稳定性进行定量分析，在电源系统设计时也难以提出电源输出阻抗技术要求和负载输入阻抗的技术要求，因此电源输出阻抗测量技术是急待发展的重要的测量技术。直流电源输出阻抗的特点是①直流电源输出阻抗不同于元器件阻抗，也不同于电源内阻。元器件阻抗是由材料特性和几何结构决定的，如电阻器件的阻抗是由导电丝的电阻率和几何形状决定的，电容器件的阻抗是由电容极板面积、极板间距、电介质的介电场数以及引脚电线的电阻和几何形状决定的，电感器件的阻抗是由线圈面积和匝数、线圈内外磁导率以及线圈电阻和几何形状决定的。电源输出阻抗不同于元器件阻抗，它是由电源输出特性和电源母线上的分布参数决定的，电源输出阻抗是当电源有功率输出的条件下，表现出来的固有特性。它也不同于电源内阻，内阻是电源输出端的电压变化与负载电流变化的比值。电压和电流均在直流状态，所谓变化是指两种直流输出状态之间的差异。内阻可用伏安特性曲线的切线斜率来表示，电源存在非线性，不同工作状态下内阻的大小也不相同，理想的电压源Us内阻Rs为零，理想的电流源I s内阻Rg无穷大。②直流电源输出阻抗是在小信号条件下的阻抗。直流电源是非线性系统，在不同的电压和电流的工作点上，阻抗不同。工作点附近存在小的动态区间，可以看作近似线性区间。因此测量电源阻抗时，只能施加小幅值的正弦激励电流，保证不失真的情况下，产生的电压扰动也不失真，在这种小信号条件下，才能用某单一频率的电压相量和电流相量来计算电源阻抗。一般在IOkHz以下，电源阻抗小于O. I Ω，若交流激励电流的幅值小于O. IA则母线上的交流电压响应小于IOmV,如此小的电压信号淹没在母线噪声中，会严重影响测量准确度，微小信号的测量问题是阻抗测量中的难题。③直流电源输出阻抗是分布参数阻抗。电源输出阻抗不但与电源控制特性有关，还与输电线路和测量截面有关，高频情况下(一般大于10kHz)，电源输出阻抗受母线分布参数影响，逐渐增大，而母线分布参数又与测量截面选取有关。因此，直流电源输出阻抗的测量不同于无源的阻抗元件的测量，不能直接使用阻抗测量仪。它必须在直流电源工作时，注入电流激励或电压激励，然后测量响应电压或电流，通过计算电压与电流的相量比例获得阻抗测量结果。但是，为了避免非线性失真，激励与响应往往工作在小信号区间，对于小信号测量来说，非常困难。在直流电源工作条件下，当电源输出阻抗非常小时，比如O. I Ω以下，待测交流电压常常被淹没在直流电源本身的噪声中。目前国内和国际上还没有商品化的直流电源输出阻抗的测量仪器和设备。而通用 的、商品化阻抗测量仪和矢量网络分析仪只能测量无源器件的交流阻抗，不能直接用于测量电源输出阻抗和负载输入阻抗。根据国内外相关技术文献的记载，目前测量电源输出阻抗的方法，一般采用频率响应分析仪，由频率响应分析仪产生交流激励信号VAC，同时测量母线电压Vtest和取样电阻电压Vref的幅值比例和相位差，测量结果以波特图给出。测量频率范围IOHz 200kHz，所用的频率响应分析仪有美国Venable公司的350系列，还有美国Ridley公司的AP200系列。图I采用电流互感器耦合方法注入交流扰动电流，扰动信号的耦合太弱，当互感器左端阻抗较小时，右端的信号源工作在电流源状态，用频响分析仪作激励较为困难。直流电子负载通过直流电流IO(DC)，设定直流工作点。直流电子负载的输入阻抗与被测电源的输出阻抗并联，实际测量得到的阻抗值是直流电源输出阻抗与直流电子负载输入阻抗的并联结果。当直流负载输入阻抗远大于电源输出阻抗时，测量结果近似电源输出阻抗。但是高频段往往负载输入阻抗与电源输出阻抗相当，测量结果产生很大误差。图2采用场效应管放大了交流扰动信号，直接用母线电压驱动场效应管，在较高的母线电压下其热噪声也放大为交流扰动信号，干扰了正常测量。同样所测量的阻抗值是电源输出阻抗与直流电子负载输入阻抗之并联结果，在直流大电流情况下(例如，电子负载输入阻抗小于10 Ω ),产生较大系统偏差。图3设计了有源放大器将频率响应分析仪的扫频信号放大后驱动耦合互感器，通过耦合互感器注入交流扰动信号，扩大了适用范围，但是耦合变压器频率响应带宽较窄，实际测量只达到200kHz，同样所测量的阻抗值包含了直流电子负载的输入阻抗并联情况，产生较大系统偏差。Agilent公司的4395A网络分析仪的产品说明书中也推荐了一种测量电源输出阻抗的方法，见图4。与上面的问题一样，负载的输入阻抗也成了被测量的对象，实际测量数据是负载的输入阻抗与电源输出阻抗并联的结果，有较大系统偏差。
技术实现思路
本专利技术公开了，所测量的直流电源输出阻抗是定义在具体的工作点(电源工作在额定范围内的一个确定的直流电压和直流电流)、具体的测试截面，从测试截面朝电源的方向看所呈现出的等效阻抗，克服由于负载输入阻抗的影响而造成的测量过程的系统偏差。本专利技术的技术方案是一种直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，所述扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，所述扫频相量分析模块还和控制计算机连接；所述测试频点电压相量提取模块连接至在被测电源连接负载的电源母线上选取的测试截面的电压采样端，提取被测电源两端频率为ω的电压信号的幅度和相位，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，所述测试频点电流相量提取模块采用非 接触方式从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，所述小电流激励负载模块连接在被测电源的负载端，通过所述扫频相量分析模块输出一定幅度的频率为ω的正弦激励信号，在被测电源的负载端引入一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，所述扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，所述扫频相量分析模块还和控制计算机连接；所述测试频点电压相量提取模块连接至在被测电源连接负载的电源母线上选取的测试截面的电压采样端，提取被测电源两端频率为ω的电压信号的幅度和相位，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，所述测试频点电流相量提取模块采用非接触方式从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，所述小电流激励负载模块连接在被测电源的负载端，通过所述扫频相量分析模块输出一定幅度的频率为ω的正弦激励信号，在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载，所述扫频相量分析模块根据接收的电压信号的幅度和相位和电流信号的幅度和相位，计算出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机控制扫频相量分析模块的输出频率ω并接收扫频相量分析模块的计算结果进行存储和后期处理。...

【技术特征摘要】
1.一种直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，所述扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，所述扫频相量分析模块还和控制计算机连接；所述测试频点电压相量提取模块连接至在被测电源连接负载的电源母线上选取的测试截面的电压采样端，提取被测电源两端频率为ω的电压信号的幅度和相位，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，所述测试频点电流相量提取模块采用非接触方式从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，所述小电流激励负载模块连接在被测电源的负载端，通过所述扫频相量分析模块输出一定幅度的频率为ω的正弦激励信号，在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载，所述扫频相量分析模块根据接收的电压信号的幅度和相位和电流信号的幅度和相位，计算出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机控制扫频相量分析模块的输出频率ω并接收扫频相量分析模块的计算结果进行存储和后期处理。2.根据权利要求I所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述扫频相量分析模块的信号输出端还连接开路/短路/负载校准激励信号输出模块，所述开路/短路/负载校准激励信号输出模块在进行开路/短路/负载校准时连接在负载端，用于在被测电源和负载以及小电流激励负载模块都从电源母线上断开后输出激励信号至测试截面；所述开路/短路/负载校准激励信号输出模块包括负反馈运算放大器，运算放大器的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端和取模值以及加直流偏置电路，运算放大器的输出端串联二极管，二极管的正极输入端连接限压保护电路，二极管的负极输出端通过校准开关连接测试截面的电压采样端。3.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述测试频点电压相量提取模块包括与测试截面电压采样端连接的第一隔直电容和第二隔直电容，第一隔直电容和第二隔直电容分别连接第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路，第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路再同时连接差分放大电路，差分放大电路连接扫频相量分析模块的电压输入端。4.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述测试频点电流相量提取模块包括低频测试频点电流相量提取模块，所述低频测试频点电流相量提取模块包括一个由高磁导率的磁环制作的电流互感器，所述电流互感器上分别绕有次级感应绕组以及直流抵偿绕组，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端；所述直流抵偿绕组通过依次连接的直流电路驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，所述直流电流测量器件把测得的母线电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电路驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消电源母线的直流电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。5.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述测试频点电流相量提取模块包括高频测试频点电流相量提取模块，所述高频测试频点电流相量提取模块包括一个由低磁导率的磁环制作的电流互感器，所述电流互感器上绕有次级感应绕组，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端。6.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述小电流激励负载模块包括由运算放大器、场效应晶体管、取样电阻组成的负反馈闭环控制与驱动电路，运算放大器的正输入端通过加...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅高峰，刘民，孙毅，金光远，郝慧萍，
申请(专利权)人：北京东方计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：