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PA310H/333H |PA310/323 |PM100|

Automated test for the power consumption of capacitor

如何完美解决电容功率的自动化测试?

本文是对某品牌电容(以下统称A电容)测试项目的总结,根据A电容的观点,某些客户目前要求他们对小规格电容功耗进行测试,将来将会有更多的客户要求他们测试更多种型号电容的功率。

在当今这个时代,环保、节能是当代的两个主题。对于电子仪器,更是将节能运用到极限,随着各种IC模块的低功耗运用,使电子仪器整体的功耗下降。由于电容是电路不可缺少的成分,半导体器件因为工艺的进步,功耗也随之相较于以前大为减小,以前使用的安规电容功耗在电路中影响不大,而如今随着其他元件功耗的降低,安规电容功耗所占的比重越来越大,所以,对于安规电容功耗的限制,变得越来越重要。

同时,功耗是对电容总体性能的一个体现,通过对电容功耗的测试,可以间接了解电容的ESR、温漂、电压系数等对电容性能的影响,同时也是电容稳定性的一个体现。

电容功耗测试难点
测试条件

A电容当前测试的电容规格是275V额定电压,0.47uF以下电容规格的功耗。使用的是固纬的APS-9000交流电源,输出266V、60Hz对电容功耗测试。

测试难点

功率的测试难点主要有三个,其一对通过电容50Hz、60Hz的交流电流的检测,其二是对电容功率角的检测,其三,在现场设备上稳定运行。

通过电容的电流,选取最大0.47uF的规格、60Hz的频率,可知电容的容抗很大,流过的电流大概在40mA左右,由于电容内部L、R等寄生参数的影响,电流本身会有轻微的震荡,而且由于电流本身的值小,经过外部连接线,又会耦合外部的噪声,影响电流的测试,这就要求对功率计对电流测试的准确性。

关键之处,还在于要现场设备来测试。在现场测试中,电容的通电时间随着电容测试速度的增加而减小,要在有限的通电时间内,准确检测电容的电流值。举个例子,在正常情况下,一台设备的速度是100个/分钟,即0.6s一个,实际中,由1/3的时间是用来是电容通电后稳定下来,剩下2/3的时间才可用来进行电流采集,电流采集的时间还得考虑电容通电结束时的不稳定情况,所以实际上对一个电容的测试时间不到0.4s,所以在不到0.4s的时间内,需要测试准确一个轻微振荡且带噪声的正弦波电流信号,仪器响应慢就无法准确测量。图1是现场测试设备电容测试部分。

图1 现场设备电容测试夹具与执行机构

电容功率角的检测。电容功率的测试,其中功率因数脚a理论上是90,但实际上为90-△φ,则会形成△φ的偏差,就是根据△φ的偏差,进行功率运算,而△φ主要由两部分形成,其一,由电容本身的ESR使电压电流相位角偏差△φ1,其二在仪器的模拟通道中电压、电流会产生不同的相移,由于电压、电流信号受电路相移的的影响不一样,因此形成△φ2,即△a=△φ1+△φ2。我们理论上是需要△a1的值,所以需要消除△φ2的值,使△φ=△φ1。这就要求功率计能过消除由于电路本身存在的相位差△φ2。PA310功率计对于电容功率的测试,主要问题是对相角的检测,根据A电容的要求,△a=arcos((0.0028/5.8)/3.14*180)=89.97,所以要求PA310对相角的检测达到0.01度。

在功率角几乎为90°的情况下,功率的测试尤为困难,这就需要PA310对极低功率因数情况下,对功率测试的准确性。即PA310在相角为90°左右,能至少达到0.01度的分辨率。由于功率检测的基本原理所决定,这个尤为困难。图2是PA310空载时及连续测试三个统一规格电容功率测试值。可知,空载时功率几乎为零,测试电容的功率因数为0.0004~0.0005之间,电压高达270V的情况下,功率只有几个毫瓦,这之间的功率很难检测。但PA310可以稳定的测试。

图2 PA310测试结果

在现场测试时,测试现场有大量的执行机构,里面存在着大量的工频高次谐波。功率计在测试时,不能受周围干扰信号的影响,能够稳定测试。在现场测试时,A电容之前使用chroma的66202,受干扰严重,现场设备运行时,测试不稳定,跳变厉害。图3是chroma现场对同一个电容的测试结果,可以看出测试同一电容功率值波动很大。

图3 66202现场测试波动结果
PA310电容功率测试措施

PA310对于通电电容电流的测试,通过PA310的千分之一的精度有效保证测量准确性。PA310的功率较之使用的是全球最高功率标准源Fluke6105进行校准。PA310采用高精度模拟电路设计,从硬件上保证对信号的调理与采集,最大限度降低原始信号的失真度,逻辑控制与数据处理采用FPGA+DSP高效率模式,利用FPGA的高速逻辑控制及DSP的强大数据处理能力,高效精确的进行数据采集运算。

功率计PA310的模拟带宽为100kHz,电流测试范围为5mA量程到20A的量程,所以对于电容测试电流,几毫安到几十毫安的电流值,完全可以准确测试。

对于相位的检测,硬件上存在对电压电流信号的相位差,通过标准源和数学建模运算,使硬件上电压电流通道的相位差为零,同时对各个量程的相位校准,是在每个量程测试的功率值完全一致。如图4所示,PA310在标准源输出情况下,即设置模拟电容的功率因数角与电流值,进行测试,测试结果显示PA310与源输出几乎一致,chroma的66202相差较远。

图4 源输出鉴定
总结

PA310能够准确的测试电容功率值。电容厂商的客户要求测量电容的功率值,目前要求的电容规格不多,但将来这种趋势会常态化,即会把电容的功耗作为一个指标,来判断电容的合格率。现在在厂线上,电容的检测执行设备的控制信号,可以兼容数字I/O的输出。工业自动化的需求,PA310完美解决电容功率的自动化测试。