使用精密測量電源進(jìn)行內阻測試和電容量測試

　　背景介紹

　　精密測量電源在提供穩定供電之余，還可以進(jìn)行高精度的電壓電流測量，因此可以用于完成多種相關(guān)參數的測試。以吉時(shí)利PMS 2280S精密測量電源為例，它可以在供電過(guò)程中對電壓、電流數據進(jìn)行高速連續采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行連續的數據回傳。因此，使用者可以根據需要，對采集到的數據進(jìn)行復雜處理，得到最終所需要的結果。這些處理可以包括乘、除運算得到功率或電阻信息，或者在時(shí)間軸進(jìn)行積分，得到電量信息，甚至根據記錄下來(lái)的充放電斜率，計算超級電容的電容量。

　　使用2280S 測量產(chǎn)品功率或內阻

　　工作狀態(tài)下的產(chǎn)品內阻或直流功耗經(jīng)常是客戶(hù)關(guān)心的一項指標，以L(fǎng)ED客戶(hù)為例，其二極管導通、截至特性是衡量LED性能的重要指標。另外，LED的壽命和可靠性與LED的節點(diǎn)溫度有密切的關(guān)系，而節點(diǎn)由于封裝原因，其溫度很難通過(guò)直接測量的手段獲取。為表征LED的發(fā)熱性能，通常使用熱阻作為參數描述這一特性。而熱阻的計算公式，也與電壓，電流測量有直接的關(guān)系。

　　同樣，繼電器生產(chǎn)廠(chǎng)商也會(huì )測量繼電器在導通狀態(tài)下的內阻阻值，更小的內阻意味著(zhù)更低的功率損耗和更長(cháng)的工作壽命。在這些測試中，高精度的電壓電流測試，以及穩定的直流供電都是工作條件下內阻測試的先決條件。

　　傳統LED客戶(hù)的內阻測試要求使用性能良好的電流源進(jìn)行供電，并配合以高精度AD板卡或萬(wàn)用表采集電壓。兩臺設備的連接相對復雜，總成本較高。PMS 2280S電源可以工作在恒流模式（CC mode），成為性能良好的電流源，同時(shí)，其內置6.5位數字萬(wàn)用表，在電壓，電流測試時(shí)具備獨特的優(yōu)勢，其電流測量精度可以達到微安級，分辨率高達10納安，電壓測量精度為毫伏級，分辨率為0.1mV?；刈x電壓、電流讀數后，經(jīng)過(guò)R = V/I的計算，就可以得到內阻數據。打開(kāi)LXI網(wǎng)頁(yè)界面上的Data logging功能，還可以對電壓，電流數據進(jìn)行長(cháng)時(shí)間連續采集，有利于監測工作條件下的內阻隨時(shí)間的變化。

　　另外一個(gè)在內阻測量時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，是線(xiàn)電阻的影響。通常導通電阻阻值較小，使用V/I直接計算電阻時(shí)，電源的測量結果會(huì )把連接線(xiàn)上的線(xiàn)電阻計入在內，造成測量誤差。對PMS 2280S電源，我們在電源后面板提供了四線(xiàn)連接方式。通過(guò)四線(xiàn)連接的供電方式，可以把電源回讀的電壓和電流值定位在待測件的輸入端，而不是電源的輸出端，這樣可以完全消除線(xiàn)電阻的影響，測量到的內阻阻值更加精確，連接如下圖所示。

　　圖1 2280S 四線(xiàn)遠端連接

　　另外電源內置的Auto Zero（自歸零）功能可以在每次電壓或電流測量前，進(jìn)行一次快速的自校準。測量由于內部熱偏置或者殘余電量累計造成的偏差，并在下一次測量中自動(dòng)消除，進(jìn)一步提高測量精度。

　　PMS2280S只能輸出正相電源，當測試中需要為待測件施加反向電壓時(shí)，我們可以使用外接的開(kāi)關(guān)電路切換正負極實(shí)現反向電壓。PMS 2280S輸出正負端均與地隔離，因此正負極反向連接就可以實(shí)現輸出負電壓的功能。外界MOSFET或繼電器開(kāi)關(guān)的通斷可以由PMS2280S后面板的數字IO接口控制，通過(guò)指令設置高低電平即可控制開(kāi)關(guān)的通斷操作。開(kāi)關(guān)的供電可由后面板的USB接口提供（如供電電流小于2mA，亦可使用數字IO口提供供電）。

　　使用2280S 測量鋰離子電池的電量

　　隨著(zhù)電子產(chǎn)品功能的增強，電池容量也在不斷增加，如何能準確了解電池容量成為電池測試的一項重要任務(wù)。電池電量的描述通常使用安時(shí)或瓦特時(shí)作為單位，表示從電池放空到充滿(mǎn)的過(guò)程中進(jìn)入電池的總電量。計算電池充電或放電電量，需要對電池的充放電電流或功率進(jìn)行積分計算，其計算公式如下所示：

　　電池總容量 ，其中t為充電（放電）時(shí)間，I為充電（放電）電流

　　電池總容量 ，　其中I是采樣電流值， ?t是采樣間隔

　　當使用測試儀表進(jìn)行電量測試時(shí)，由于電流的采樣點(diǎn)是離散的，我們將計算公式轉化為：

　　這里要求測量?jì)x表能精確記錄充電或放電電流，并保證較高的連續采樣率，同時(shí)可以將整個(gè)充放電過(guò)程的全部數據完整記錄下來(lái)，才能確保計算結果足夠準確。

　　PMS 2280S的數據記錄功能可以提供最高3000次每秒的電壓或電流采樣率。并可以通過(guò)LAN接口將數據連續回傳到電腦端。用戶(hù)可以長(cháng)時(shí)間對數據進(jìn)行記錄，并將所有數據導出到Excel表格中進(jìn)行后續分析。下圖是2280S為鋰離子電池充電的電壓電流曲線(xiàn)圖，電池電壓從11.8V充到12.6V，電流以2A開(kāi)始充電，下降至20mA以下時(shí)充電結束。

　　圖2 2280S 電池充電曲線(xiàn)

　　當進(jìn)行安時(shí)計算時(shí)，只需將電池與電源相連接，設置好充電的截至電壓（Vset），以及充電電流（Iset），此時(shí)電源將自動(dòng)開(kāi)始為電池充。初始階段采用恒流充電（CC 模式），當電壓上升到充電截至電壓時(shí)，將自動(dòng)轉入恒壓充電（CV 模式），直到電流減小到接近0為止。

　　除了對電池進(jìn)行充電測試外，PMS 2280S還可以為電池進(jìn)行放電測試。放電時(shí)由于電壓電流均不可控，電源將以最大能力吸收電流（約為-450mA），并對放電過(guò)程中的電壓和電流值進(jìn)行連續記錄。

　　充放電過(guò)程中的電壓電流數據都可以通過(guò)電腦端進(jìn)行連續記錄，用戶(hù)不需要編寫(xiě)任何軟件。在電腦端的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器上輸出電源的IP地址，選擇屏幕左下角的Data logging功能后，使用儀表內置的網(wǎng)頁(yè)界面就可以完成全部數據的記錄。電池的充電或放電總量也會(huì )以毫安時(shí)的形式自動(dòng)顯示出來(lái)，如下圖所示：

　　圖3 2280S data logging界面

　　使用2280S 測量超級電容的電容量

　　超級電容在新能源行業(yè)有著(zhù)非常廣泛的應用。由于其具有高功率密度，壽命長(cháng)內阻小，可快速充電等優(yōu)點(diǎn)，被認為可以取代電池作為下一代儲能器件。大功率超級電容已經(jīng)被廣泛使用在電動(dòng)汽車(chē)，光伏發(fā)電，風(fēng)電等行業(yè)，作為能量存儲或緩沖，超級電容未來(lái)的發(fā)展前景非常廣闊。

　　圖4 超級電容

　　對于超級電容的使用者，在長(cháng)期使用過(guò)程中，希望通過(guò)測量電容量，了解電容的老化情況，以確保系統性能，在老化嚴重前及時(shí)更換器件。

　　準確測量電容量是一個(gè)相對復雜的操作，需要對兼容進(jìn)行充電或放電，并根據充放電斜率進(jìn)行計算。這需要使用者使用電源，電阻負載，數字萬(wàn)用表，以及其他數據采集設備進(jìn)行測量。使用的測試公式是：C = I * （?T / ?V）。

　　2280S的優(yōu)勢在于，使用一臺設備，可以完成其中的絕大多數工作。2280S作為電源，除了輸出功率之外，還具備一定的功率吸收功能，可以最高吸收400mA的電流，持續幫助電容放電，并記錄放電時(shí)的電壓電流數據。因此，常規容量的電容完全可以通過(guò)2280S的充放電操作，進(jìn)行電容量測試。

　　我們以一塊16.2V，58F的超級電容為例，使用2280S為其進(jìn)行充放電測試。測試過(guò)程包括將電容從8.1V充電到16.2V，再放電恢復到8.1V的初始狀態(tài)，計算并驗證充電和放電過(guò)程下的的電容容量。整個(gè)過(guò)程中打開(kāi)LXI網(wǎng)頁(yè)界面，并執行data logging功能，實(shí)時(shí)采集電源輸出電壓和電流數據，并將最后的結果粘帖到Excel表格中。

　　在Excel表格中根據電壓電流數據繪圖，可以得到下面的充放電過(guò)程圖形。圖中的左側方框中記錄了超級電容的充電過(guò)程（T1至T2），電源輸出電流3.2A為電容恒流充電，電容電壓逐漸升高直到達到16.2V為止。電容充滿(mǎn)后進(jìn)入放電流程（T3至T4），約以400mA放電，直到電流下降為8.1V結束。根據公式：

　　C = I * （?T / ?V）

　　可知充電過(guò)程的電容量C1 = 3.2 * （T2-T1(＄0.3939)） / （V2-V1）；其中T1是起始充電時(shí)間，T2是電壓充滿(mǎn)的時(shí)刻，V2是最高點(diǎn)電壓，對應時(shí)間點(diǎn)T2；V1是充電起始電壓，對應時(shí)間點(diǎn)T1。

　　放電過(guò)程的電容量C2 = 0.45 * （T4-T3） / （V3-V4）；其中T3是起始放電時(shí)間，T4是放電結束時(shí)間，V3是起始放電電壓，V4是終止放電電壓。

　　通過(guò)斜率可以計算出超級電容的容量值，在這個(gè)實(shí)驗中，我們計算得到的電容容量值在充電過(guò)程中是61.3F，放電過(guò)程中是60.7F，與標稱(chēng)值基本一致。