基于低频噪声测量的UPS故障诊断方法*

陈晓娟，陈东阳，申雅茹

(东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012)

CHEN Xiaojuan*，CHEN Dongyang，SHEN Yaru

(Information Engineer Institute，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

UPS是一种采用逆变原理将直流电转换成交流电，为计算机供应稳定、连续、无干扰的电源，以保证计算机正常工作的精密电子设备。目前，大部分的UPS产品使用的功率VDMOS管作为其逆变器的核心器件。然而，由于功率VDMOS管在高功率、大电流且快速开关的工作状态下，其导通电阻迅速增大，使得功率VDMOS管产生电导调制效应，这大大限制了功率VDMOS管的击穿电压，导致UPS由于功率VDMOS管软击穿现象而无法正常工作［1］。

针对以上问题，本文提出了一种低频噪声测量LFNM(Low Frequency Noise Measurement)无损检测的方法，建立了功率VDMOS器件的低频噪声模型，设计了带补偿网络的超低噪声低频放大器，它能够很好地获取UPS逆变器电路中功率VDMOS管的低频噪声，实现了对UPS电路故障的早期故障预警。

1 UPS电路的LFNM

一个简化的LFNM系统框图及各部分组成情况如图1所示。

上述所有测量参数均在理想状态下，尤其是温箱的温度和UPS偏置电路能够被外部控制器(通常为PC)设置，这使得自动噪声测量成为了可能。然而，这种情况实现的可能性毕竟很小，尽管一些低噪声可编程偏压源Low Noise Programmable Biasing Sources(LNPBS)的例子已经被验证是可行的，但是由于尺寸大小、高昂的费用以及它们的采用会使得整个LFNM系统变得复杂等缘故，进而限制了它们的使用［2］。

图1 UPS电路LFNM系统框图

2 VDMOS器件的低频噪声

功率VDMOS器件是一种表面效应器件，表面载流子涨落是其1/f噪声的主导因素。多数情况下，1/f噪声是由于OMTC(Oxidizing Material Trap Charges)中

3 超低噪声低频放大系统的设计

3．1 低噪声设计

根据测试要求，本文设计的放大器所遵循的原则为:

(1)选择En、In尽量小的低噪声器件，同时要考虑到信号源(这里是被测噪声源)的噪声匹配，即最佳源阻抗应与信号源阻抗的匹配。从而保证前置级工作在最小噪声状态。

(2)根据非噪声质量指标水平来对放大链后级进行设计，即根据一般增益情况和整体性能的要求来决定采取的放大形式和链长等。

根据弗里斯(Friis)公式:

可知，在整个放大电路中，首级放大电路对噪声系数的影响是最大的，所以输入级的噪声性能设计的好，则整个放大器的性能就会提升。为了降低放大器背景噪声，输入级电路要具有较大的开环电压增益和短路电流增益，因此，本文前置放大器选取共射组态［5］。

在低噪声设计中，为减小从放大电路引入器件噪声，避免其对DUT的噪声信号产生影响，需要精心选择放大电路的元器件，采用蓄电池供电，并且各器件及连接导线接头的焊点力求表面光滑，无尖角

式中:A是白噪声值;B是1/f噪声幅值;α为1的常数;Ci表示g－r噪声的幅度;foi为第i个g－r噪声的转折频率;N为g－r噪声的量度。因而，功率VDMOS管能否正常工作，可通过其1/f噪声表现来判断，功率VDMOS器件的1/f噪声特征如图2所示。的载流子数波动引起的，而且沟道内迁移率升降对其也有很大的影响。氧化层陷阱的表面势被电荷的波动所调制，这导致了沟内的载流子数目无规则变化，同时，库仑散射也将被调制，并且引起沟的迁移率的升降，因此，导致沟道电流的变化［2－3］。与电子元器件的低频噪声模型建立类似，利用噪声叠加原理来建立VDMOS管的噪声模型，即把可以影响UPS低频噪声的VDMOS器件的噪声参数叠加取平均，用以来表示其噪声参数模型。其低频噪声通常表现为1/f噪声、g－r噪声、白噪声等的叠加，式(1)为它的功率谱密度［4］。及突起，应在外面刷绝缘漆进行密封保护，以减少从焊点引入的外部噪声影响。电阻用线绕电阻器，使其最大化降低噪声。

3．2 低噪声前置放大电路设计

该电路的主要功能是将UPS中逆变器的核心器件功率VDMOS管的输出的噪声作为信号，经滤波后用放大器放大，放大器的输入方式一般采用差模方式。前置放大电路要具有较低的噪声，有较高的输入阻抗和较大的共模抑制比，并且测量精度高，稳定性良好等特性。

针对降低前置放大器的等效输入噪声电压EIVN(Equivalent Input Voltage Noise)的问题，本文提出的解决方案是通过调整用在放大链第1级的有源器件来使之降低。由于分立元件EIVN的表现是最佳的，所以通常在输入级使用分立元件，本文选取了成匹配对的双极性晶体管SSM2220作为最低EIVN的输入级，通过这个设计，可以获得很好的EIVN 表现［6］。

图3(c)给出了前置放大电路的原理图，该电路采用两级放大形式，总增益为80dB。区别于锁相放大器和BrookDeal5003(BD5003)等前置放大器，本放大电路的输入级采用直流耦合的形式，它可提供34 dB的增益。

图2 功率VDMOS器件的1/f噪声特征

图3 带补偿网路的前置放大器电路原理图及前端测试电路

从电路图中可以看出，图3(c)中的输入三极管Q3和Q4的使用可以使电源阻抗的噪声值减少30Ω～50Ω，由Q1和Q2组成的镜像电流源推动输入三极管，使得输入三极管获得大约0．25 mA的射极电流。低噪声运算放大器(OP27)的使用是为了获得高的电压增益值，它的闭环增益可以通过R12/R1来设置。第2级引入了更进一步的放大，它是交流耦合的，这可以消除第1级输出端的直流分量。为了使得交流耦合的频率在所期望的频率范围内，本文选择了东芝公司的2SK146作为输入部分，它是一款低噪声的FET，具有非常的低等效输入电流噪声。其中一个FET作为电流源为另一个FET提供漏级电流，这个方案最大限度的降低了来自运算放大器反相输入端的解耦电源的噪声的影响。与第1级相比，第2级是使用微分配置的输入级来解决降噪的。第1级高的增益值与第2级低噪声指数相结合使得整个放大电路的噪声功率谱与第1级相近。并且第2级采用了交流耦合，第2级输出端的直流分量只来自于OP17的失调电压，其数值小于 2 mV［7］。

在前置放大电路的末端增加了一个补偿网络，运放U3和电阻R15，电容C6组成一个积分器，它的现实的是积分和倒相的功能，这可以大大降低失调电压对产生的电路影响。

3．3 滤波器的设计

为了降低其他干扰信号，加人了50 Hz陷波滤波器和带通滤波器。

50 Hz陷波滤波器的基本构成是一个减法器和带通滤波器的结合，主芯片是LT1112，采用双T型网路构成，基本保证了在其阻带内的增益为零，此陷波器具有良好的选频特性和较高的Q值。它的作用是将逆变器输出的工频信号滤除掉，以减少对所要采集的低频噪声的干扰。其电路原理图如图 3(b)所示［8］。

由陷波滤波器的标准形式可知:

其中心频率f0的计算公式为:

如图 3(d)所示［9－10］，带通滤波器是由一片LT1112运放构成，由此运放构成的带通滤波器具有较低的输出阻抗、较高的开环电压增益和输入阻抗，而且还具有一定的电压放大和缓冲作用，在弱信号检测中具有良好的性能表现。

这里令中心频率为式(8)电压放大倍数为，

同相比例运算电路输入比例系数为，

经计算，上、下限截至频率分别为，

可得其通频带为，

4 测试结果

基于上述方法，对两台山特公司生产的MT1000－PR0型UPS进行低频噪声测试。其低频噪声测试结果如表1和表2所示。由测试结果可知，MT1000－PR0型UPS的低频噪声主要是1/f噪声，而且表现出随着频率的增加幅值减小的特性，但也有部分表现出具有额外的g－r噪声，这表明UPS内部存在软故障。电流传输比的测试结果表明，其中一台UPS在工作点处的CTR明显小于另一台 UPS［11］。

表1 低频噪声功率谱测试结果

表2 低频噪声功率谱测试结果

放大电路的背景噪声验证，经测试，与锁相放大器和BD5003相比，其噪声性能得到了显著的改善，在实现对低频噪声放大上，有着明显的性能优势［12］。本文设计的放大器与锁相放大器和BD5003的EIVN谱情况如图4所示。

图4 前置放大器的的EVIN对比图

5 结论

本文提出了一种针对UPS低频噪声测量的故障诊断方法，明确了对应的测试系统的构建原理及性能要求。建立了功率VDMOS器件的噪声模型;提出了一种带补偿网络的低噪声前置放大器，该放大器不仅能满足放大要求，而且其背景噪声与锁相放大器和BD5003相比，显著降低。对UPS的低频噪声测试结果表明，采用该方法可准确地获取UPS核心逆变器件VDMOS低频噪声，并且在准确率上较传统方法提高了85%，实现了对UPS故障的行初步检测与评估，提高了系统应用时的适用性。

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