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1、Page 20 / 20高压CAF离子迁移系统设计编制单位:深圳市阔智科技有限公司编制人:孙洪华 2016.5.9一. 概述绝缘电阻是PCB&FPCB中的安全要求测试中的一项重要指标，也足判断绝缘体足否完整,包括产品所使用的材料性能,产品设计符合,产品制造过程是否异常,以及SMT加工过程的绝缘体表面是否被污染的主要参数之一，通过测量设备的绝缘电阻可以及时发现产品普遍受潮、局部严重受潮和贯穿性缺陷。原有的CAF离子迁移绝缘电阻测量设备是一直受到国外同行设备技术能力限制以在国内行业以通道少最多126通道，并且通道测试电压不能一机多用等缺点限制了其使用范围,导致在PCB检测中多路要求及施加不同电压问
2、题本文针对上述缺点，将高频高压开关程控稳压电源和高速精度扫描系统控制引入到绝缘电阻测试系统中，实现测量的自动化和多通道,高电压，满足高可靠性PCB&FPCBA电子产品中对绝缘电阻测量技术的需要。首先，本文对绝缘电阻测试仪的技术背景以及国内外的发展状况进行简要明了的介绍，并阐述本文主要研究的内容。其次，结合绝缘电阻测量中高电压，弱电流等特点，通过分析绝缘电阻测量误差的来源，决定以多通道高速扫描为核心，使用加压测流法的测量方案。单片机主要完成采集和处理经过转化的数字量信号，完成键盘录入、液晶显示等功能。而加压测流部分采用单端反激拓扑结构的DCDC变换器和倍压整流电路相结合的方式。可根据设定值将15
3、V供电电压分别逆变整流输出任意调整10V-100V,300V，500V,1000V，四个不同档位的高压。论文中，分析了此变换器的工作原理、电气设计和结构设计中应该注意的问题以及解决措施。在随后的电阻分压电路中，高压通过绝缘电阻和一个与其串联的标准电阻分压，分压后的电压信号经过射随器、AD转换器送达高精度扫描机，经过PC处理后得到被测绝缘阻值有软件计算后在现实。在本文的后半部分，结合流程图对整个软件系统的设计思想和一些重要的信号处理程序作以阐述。整个软件系统是由c语言编写，共有四部分，分别是：高频高速恒流程控电压部分，高速多通道数字扫描系统,模数转换和数据处理部分。本系统的最大特点是：(1)采用
4、高频DCDC变换器逆变直流高压的高压程控电源具有体积小，稳定度高,任意通道可以均由1V-1000V进行设定的特点，可有效提高PCB&FPCB的耐CAF离子迁移检测精度。(2)整个系统的测量范围宽、精度高，对应10V一1000V的测量电压，在线576个通道同时监测测量范围达1015欧姆，误差小于1。(3)测量系统采用自动计算分析,其中任何一路出现在设定下限值时就自动关闭通电电压,确认产品及设备安全.2. 系统总体设计2.1系统要实现的功能 A. 当接通负载时,所施加的电压经过Rx,R1M欧姆,K1闭合,当按照程序需要扫面电流时,K2接通,K1断开,电流表进行扫描并输出到PC上;当按照程序不进行扫
5、描时,K1接通,K2断开;完成一个指定时间周期的扫描;B.在测量Rx时，所需直流高压稳压电源输出一个已知的稳定的直流高压，随着如的不同，Rstd上会线性分得不同的电压,通过采样、换算Rstd上的电压便可以得到被测电阻Rx的阻值。 C. 当电流表检测到小于设定值产品”绝对安全”值,K1,K2同时断开,产品检测回路断开,确认检测设备和失效产品安全.由于绝缘电阻测试仪在工作过程中自身会产生高电压，而测量对象又是电气设备，为了保证测量结果的真实性，避免人身或设备事故的发生，绝缘电阻测试仪的使用过程如下:(1)根据被测设备的耐压等级选择测量电压。(2)测量前的检查。测量前必须将被测设备电源切断，并对地短
6、路放电，绝不允许设备带电进行测量，以保证人身和设备的安全。被测物表面要清洁，减少接触电阻，确保测量结果的准确性。(3)在测量过程中，应注意不要接触绝缘电阻表面和仪表端子，避免发生触电事故。(4)为防止操作人员因为误操作而引起的触电事故或为保护测试设备和被测设备的安全，绝缘电阻测试仪所产生的高压直流电源应具有可靠的过流保护功能。1.1.2 绝缘电阻测试仪要实现的功能和性能:本项目将高精度电流计+高速扫描回路与高频高压开关稳压程控电源相结合，以提高绝缘电阻测量自动化的水平。所要实现的主要功能和性能如下：(1)利用程控开关电源实现高压输出，可以分别输出10-100V、300V、500V、1000V，
7、并且具有相应的过压、欠压和过流保护；(2)实现由电脑软件对每一路自动档位切换恒定电压，在测量过程中提供恒定的不同大小电压值,通过R=U/I公式准确计算出的绝缘电阻；(3) 监控测量电流值通过软件计算，实现模数转换，高压和低压两部分之间的连接要安全可靠，并且不影响测量。(4)设备可使用交流110V-220V和直流+15V两种供电方式。(5)测试绝缘电阻范围是1*1012-1*1015(6)测量误差小于5。1.1.3系统功能模块的划分根据整机的功能和作用，可将本系统划分为四部分：(1)高频高压开关稳压程控电源；(2)扫描分压电路；加载测试样品的负载(3)模拟信号采集与转换电路；(4)数据处理、模拟
8、开关控制及数据分析。PC1.2主要技术选择以上介绍了所要实现的系统功能，并将其分成四个功能模块，要更好地实现这四个功能模块的功能，需要对实现这些功能的技术进行必要的了解和谨慎的选择，以下分别对四个模块的关键技术进行介绍和选择。1.1.21高压开关电源电路针对电路输出功率小，输出电压高，体积小等特点，采用了单端反激式的变换器拓扑结构，通过单片机在不同基准电压之间进行切换，高频变压器的次级绕组经倍压整流电路输出不同的电压值，分别对应着直流10-100V、10-300V、10-500V、10-1000V共4组输出电压，不同的电压可由用户根据需要在PC上进行选择设定。根据对输出电压和电流的采样，控制电
9、路及时改变开关器件的导通时间，从而稳定地输出期望电压，并提供了过压过流保护，使系统工作得更加稳定可靠，同时也可保护操作人员与被测设备的安全。1.2.2 分压电路:当高压产生，被测电阻接上后，为了使模拟信号采集与转换电路能够接收到15mV一25V之间的模拟电压信号，要求系统根据不同的被测电阻自动计算出电流值，使得分压电路输出满足要求CAF在线测试要求。其中自动投切电路比较复杂，它通过软件编程与硬件相结合.1.2.3 模拟信号采集与转换电路电阻分压电路输出的电压信号是模拟信号，而且与高压有着直接联系，当被测电阻不慎短路或是很小时，高压将会进入模拟信号采集与转换电路以及后续电路中，直接威胁系统的核心
10、器件与人身安全。因此在设计此部分电路时必须保证在各种情况下设备的安全工作。此部分核心器件足8位的AD转换器和具有高输入阻抗的运算放大器。1.2.4 数据处理及模拟开关控制电路此部分电路以keithley公司的皮安计为电流采集，并将采集微小电流主要完成数据处理、 输出到PC上,通过PC软件计算统计分析将其值进行分析,输出所测量的绝缘电阻数据值及图表.二 .硬件设计 2.1 程控电源设计结构图 2.1.1工作原理说明:根据上图,硬件系统工作交流输入首先经过输入滤波电路（输入滤波器），再通过整流电路变换为直流，经过输入缓冲电路（抑制电压、电流浪涌电路）进入功率逆变电路，在此环节中加有输入过压、欠压保
11、护等电路，当交流输入超出或低于额定输入范围时或输入缺项时，关断功率逆变电路。经过功率逆变电路后将直流电压转换为高频交流电压，该交流电压通过变压器隔离降压后输出低压交流电压，再经输出高频整流和滤波后输出稳定的直流电压给负载供电。主控控制电路通过采集输入电压、电流信号来调节逆变电路开关管工作状态，输出稳定的直流电压；接收保护电路、电压调节信号和恒流设定信号，实现对电源的保护及设定；输出采集的输出电压、电流值和电源工作状态信号提供给面板表头和状态指示灯进行显示。2.1.2.主要技术参数(1) 交流输入: 110v-220v频率：50HZ、60HZ(2) 直流输出: 电压（稳压值CC）：（0- 100
12、%额定值） V连续可调 （最高可达1000V）电流（恒流值CV）：（0- 100%额定值） A连续可调 （最高可达1.0A）(3)源电压效应:0.2%有效值(4)负载效应:稳压精度：0.5%有效值（阻性负载）恒流精度：0.5%有效值（阻性负载）(5)输出纹波:稳压状态（CC）：0.3%+10mV（rms）（有效值）稳流状态（CV）：0.5%+10mA（rms）（有效值）(6)输出显示6位半数字表精度 ：1% +1个字显示格式:10.00000V-100V；10.00000V-300V；10.00000V-500V；10.00000V-1000V(7)电压电流设定:PC程控界面设置(8)过压保护
13、:内置O.V.P保护，保护值为额定值+5%，保护后关闭输出，重新开机解锁(9)过流保护过载、短路、定电流输出(10)过热保护:内置O.T.P保护，保护值为855%（散热器温度）,保护后关闭输出,当过温解除后,可以自动恢复输出(11)输出极性: 输出正()、负()可以任意接地(可加装正负极手电或自动换向功能）2.1.3 倍压整流电路 倍压整流电路的实质是电荷泵。通常图是为称每2倍为一阶用N表示,上图为3阶,即N=3当MOSFET导通时，电流自上而下流过T。原边，副边感应电动势为上负下正，副边电流通过D2给C18充电，从而电源能量部分通过变压器Tl传送给副边电容，此时C18上的电势为右正左负，另一
14、部分则以磁场的能量形式储存在变压器中。当MOSFET关断时，磁场能量要想副边释放，副边感应电动势为上正下负，此时C19承受的电压约为变压器感应电动势加上c18上的电压，经过多个周期后，待输出稳定后，Cts上的电压始终为一倍的变压器副边感应电动势，而c-9上的电压始终为两倍的变压器副边感应电动势，而且是右正左负，这样HV端就可以输出1000V以上的高压。此时的输出纹波Vrip为： Vrip=N+1N4-IfC = 3x14xx0.6x10-337x103x4700x10-12=1.725(V)式中： N倍压电路的阶数，两倍压为一阶；I倍压整流电路输出的最大电流；f一-开关电源的工作频率；C倍压整
15、流电路中单个电容的容值；2.2. 电阻分压电路 电阻分压电路的T作原理如图下所示。图中R32为电源内阻，Rx为被检测设备的绝缘电阻，R39、R65、R28为分压取样电阻，HV为直流高压电源的输出。当Rx比较小时(在不同的HV电压下“比较小”的概念不同，下文的“中等大小”和“比较大”也是类同，它们都只是相对大小)，常闭触点JK1C和JK2C都足闭合的，此时R28上的压降(也就是分压信号)足以达到15mV一2V之间，继电器Jl和继电器J2不动作；当Rx中等大小时，其上的压降降至15mV以下时，JK1C断开和JK2C导通，R65和R28同时接入(大小为100K)，使分压信号的大小仍然满足在15mV一2V之间；当Rx比较大时，其上的压降降至15mY以下时，JK1C和JK2C都断开，R39、R65和R2a同时接入(大小为10M)，仍然使分压信号满足在15mV一2V之间，如果小于15mV，则说明被测的绝缘电阻阻值过大，已经超出现有高压下所能测量的最大值。 电阻分压电路注11JKlC和JK2C分别是继电器儿和J2的常闭触点
