USB模块电性能全自动检测方案及系统的研究

江朝军 付 杰 王凌霄 余 嘉 励华东

（公牛集团股份有限公司 检测中心 慈溪 315314）

引言

科技的进步带来了信息技术设备的飞跃发展，从早期的MP3、MP4、笔记本电脑，到现在的平板电脑、智能手以及各种智能穿戴设备等，无疑都需要电源给信息及智能设备充电。从而也诞生了相关配套的大量的充电设备厂商，而目前最流行和普及的还是USB电源充电器，典型的如type A口和type C口。随着行业的相互渗透，USB电源标准的安全与兼容性愈发成熟，除了数码设备整机厂生产USB电源适配器外，很多其它的厂商也开始研发生产USB电源。当然市面上很多插座上也增加了USB电源接口，包括QC 2.0，QC 3.0，PD等各种快充协议。随着USB电源产品的市场需求量和占有量的逐渐增大，对电源性能和安全相关的技术指标也越来越受到市场监管和百姓的关注，而各种评测电源安全和性能的各种国内外标准也相继出台。USB电源的各种测试项目也是陆续增多，对测试工程师和技术员的基础知识要求也是越来越高。然而即使具备了专业技能和知识，在设计验证阶段和型式试验阶段对USB电源相关的电性能试验依然会占据实验室大量的时间，需要不停地调节AC电压，频率，DC负载额定和示波器的触发带宽，幅值和时间。而且由于大量的数据填写和数据计算也会造成测试的数据偏差，给测试工程师和研发工程师带来较大的困扰和时间成本浪费。基于此现状，USB电源的自动测试系统的开发实现成为一种新的趋势。本文将从测试标准的梳理到设备的实现进行阐述。

1 测试标准条款的梳理

1.1 标准方案预研

在设备方案实现前，必须对USB电源行业的相关标准要清晰，才能实现设备的最大化利用。我们在收集了国内外关于USB电源的安全，性能与能效标准后，对测试条款进行了整合与筛选。基于最大程度的自动化考虑，只需给待测产品输入端接通电源，输出端接通负载的原则,同时兼顾设备硬件的经济性选择，将USB电源测试中的输入浪涌电流[1]（电源容量要求较大，至少3 kW，价格要高上数倍），共模电压[1,2]（需要更换水泥负载和调节探头连接方式），过压保护[4]（需要破坏芯片反馈回路或者外部加DC电源）3个需要进行特别处理的项目未纳入到本设备开发方案内。

1.2 测试标准条款选定

依据1.1标准方案预研中对经济性与最大化自动测试程度的考虑，选取了USB电源测试中如表1所列的17个测试项目。

表1 USB电源测试项目

2 测试硬件配置

2.1 可编程交流电源

电源为Croma的Model 61501（图1），额定容量500 VA，输出电压范围0～300 V，分辨率0.1 V，频率量程 47～63 Hz。

图1 AC电源

2.2 可程式直流负载

DC负载为Croma的Model 63004-150-60（图2）功率范围：0～250 W ，分辨率：2.5 mW，精度：±（0.1 %+ 0.1 %F.S.）；电压范围：0～150 V，分辨率：1 mV，精度：±（0.025 % + 0.025 % F.S.）；电流范围：0～60 A， 分辨率：0.1 mA，精度：±（0.05% + 0.05%F.S.）。

图2 可程式DC负载

2.3 功率计

功率计为Yokogawa的WT310型号（图3）。

图3 功率计

电压档位: 15/30/60/150/300/600 Vrms，

精度：±（0.1 %+0.08 %RNG）；

电流档位: 0.005/0.02/0.05/0.2/0.5/2/5/20 Arms，

精度：±（0.1 %+0.1 %RNG）；

频率范围 : DC，15 Hz～10 kHz，

精度：±0.06 %；

功率范围：75 mW～12 kW，

精度：±（0.1 %+0.1 %RNG）；

最小显示：电流：1 mA、电压：1 mV、功率1 mW。

2.4 示波器

示波器为Tektronix的TBS2000B（图4），差分探头为 Tektronix的 THDP0200（0～150 V/0～1500 V），DC 检测探头为Tektronix的TPP0250（300 V）。

图4 示波器

2.5 电压表

分辨率1 mV，精度0.2 %。

3 系统方案实现

3.1 框架搭建

用Labview的开发环境（图5），将1.2要求中的17个测试项目的具体要求与步骤导入到软件程序里面，然后通过软件与AC电源，DC负载，功率计，示波器，电压表进行通讯，软件通过继电器与时序的方式来控制设备电源的开与关，电压，频率，负载的各种组合模式的切换，示波器带宽，幅值，时间轴的切换以及示波器的触发通道（图6）。然后软件将所有需要的测试数据与波形，通过设备上的读数将其传输到PC显示屏的控制界面上，可以更改测试参数，设定不同的测试电流值，实现USB电源的各种输出额定测试。

图5 Labview 开发框架

图6 测试系统工作框图

3.2 方案实施细节与要点

电源，负载，示波器，功率计和电压表通过USB串口线连接到控制模块上，控制模块通过PC端软件页面来实现所有测试设备的操作指令，如上方式来构成设备。系统软件上将所有测试项目的细节通过Labview的编程方式实现逐一的测试条款。USB电源上标志如100～240 V 50/60 Hz，那么按照标准在测试执行过程中，需要对90 V、100 V、220 V、240 V、264 V，共5个电压在两个不同频率下分别进行测试。以输入功率为例，测试数据就有10条，测试系统按照操作指令分别进行上述电压频率的测试，测试过程中，电源依据指令输出不同的电压，频率参数，DC负载按照测试电流设置输出额定负载，而功率计此时显示电压，输入电流，功率因数，输入功率4个参数，将读取出的参数显示在电脑测试软件页面表格内。

平均效率[5]是所有测试中数据量最大的项目，而且需要参数的换算，效率简言之就是输出功率对输入功率之比，效率越高说明USB电源的热损耗越小，也是性能优异的一种体现。美国能源之星和欧盟的ERP都是平均能效的测试标准，里面需要体现工作电压条件下的空载功耗，10 %，25 %，50 %，75 %和100 %额定输出负载下的效率，同时需要对25 %，50 %，75 %和100 %效率进行平均，测量平均效率不能超过标准的限值。自动测试系统根据额定输出电流将上述的所有数据进行读取记录，然后软件将输出功率与输入功率之比进行计算，最后获得平均效率值。在测试系统的构建过程中，需要注意的是由于负载从USB端口拉载之后，由于线损与接触电阻的原因，会导致DC负载上的电压值会被拉低，随着负载的增大，电压值会逐步变小，那么在效率测试的过程中就会出现偏低的情况。为了改变采样问题而导致的测试误差，可以采用最经济的方式进行解决，就是增加一个电压表，电压表与USB电源的板端Vbus和Ground进行连接，而软件上设置所有电压的采样依据电压表上的读数来进行记录与换算，这样就可以有效的解决线损问题，保证效率值以及其它相关项目的数据准确性。

示波器在自动化系统设备的运用，是为了达到获取纹波[2]电压值，开机启动时间值，输出保持时间值，输出电压上升时间值，输出电压下降时间值，输出过冲百分比和输出下冲百分比指。示波器差分探头连接到USB交流电源，低压探头连接到DC输出端口。开机启动时间和输出保持时间的测算需要AC电压上升与DC电压上升之间的差值；输出保持时间要读取交流电压关闭和直流电压下降至标准值范围下限的时间差值；输出电压上升时间值利用示波器触发功能测量输出电压在输出电压从10 %上升至90 %的时间值；输出电压下降时间要求示波器调至下降沿触发，触发电平调至2～3 V之间，选择单次触发，给产品断电，读取下降时间；输出过冲在示波器调至上升沿触发，触发电平调至3～4 V之间，选择单次触发，给产品通电，示波器自动抓取到输出电压的上升波形，读取过冲值；输出下冲在示波器调至下降沿触发，触发电平调至2～3 V之间，选择单次触发，给产品断电，示波器自动抓取到输出电压的下降波形，读取下冲值。软件通过控制模块来自动设备示波器的触发时序，电压幅值，时间和通道，同时利用光标功能将示波器上的时间值与电压值直接读取，读取后原始波形数据以图形方式呈现在PC系统测试界面上予以保存。

PC 系统操作打开后便可设置所需测试的项目条款，电流参数，只需将待测USB电源样品输入端接通AC电源测试工装端口，DC端负载接通直流负载，板端线接通电压表，然后一键启动，系统自动测试开始，将所需要的测试数据和波形呈现在测试界面内，测试系统上可以设置相关参数的上限值和下限值，系统在读取数据后可以对单个的项目进行自动判定，总的测试完成后，测试数据以excel的形式直接保存在指定的路径，可以查阅和提取数据，观察测试结果和原始的波形数据。测试系统同时可分为管理员权限和操作员权限两种进入模式，管理员可以对测试项目的选择，测试参数的调节，上下限值的设置以及测试的先后顺序进行调节处理，将预先要使用的数据参数进行编辑设定，保存好后可供使用。而操作员模式下，只能选择现有设置保存好的参数进行试验，更加方便于实验室内部的管控，由实验室技术负责人和相应的项目工程师将所需的测试进行编辑，测试工程师可以直接依据要求测试。保证了测试输入的一致性。

4 测试系统开发的现实意义

信息化产业大量的运用到当今社会的各领域，而越来越多的自动化制造设备和测试设备应运而生。最早由美国NI公司提出的“软件就是仪器”这一革命性的口号在现代工业，医疗业都得到了淋漓尽致的展现。智能化，自动化会是未来的大趋势和潮流。类似本文中的设备也有很多，本文介绍的USB电源自动测试系统主要是从笔者多年的安规，性能标准研究与实践经验，结合对自动化市场的行情了解，觉得有必要开发设计一款性价比高的测试系统。从硬件与软件的配合作为切入口，在保证测试精度要实现测试需求的前提下，尽可能去减少测试硬件的数量或者用其它低成本方式来达到同样效果。（电压表来代替多通道的功率计）。所以，笔者认为此系统开发的最大现实意义结合检测技术与标准来开发自动化的测试系统，不仅做到了一种技术创新，而且切实可以达到减少测试成本，提高测试效率，保证测试精度的效果。

5 结束语

本文通过对USB测试系统前期的标准输入，测试条款选型，到硬件的配置说明，再到具体的方案实施过程的说明。将整个系统的开发背景，过程以及现实意义进行了细节表述。从最经济和最大化的利用测试系统来替代人员操作的角度作了模块组网的构思。希望能给相关USB电源，USB插座的生产商和对应的测试实验室提供一定的帮助，来达到成本和效益的最大化利用。