一种暂态过电压下的PCB闪络特性测试系统及方法与流程

一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试系统及方法
技术领域
1.本发明属于高电压与绝缘特性测试技术领域，具体涉及一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试系统及方法及系统。


背景技术：

2.在航空器等飞行器内，由于设备自身体积的限制，其大功率电源设备往往采用印刷电路板(pcb)这一紧凑型结构设计。但由于印刷电路截面积不足，需流经较大电流的输入或输出线路往往采用由铜质或航空铝等材质制作的汇流条结构，并采用焊接的方式固定于pcb表面。
3.然而，由于航空器飞行高度的变化，其内部非密封电源设备内的气压将发生变化。且在飞行器负载设备的开端过程中，无法避免的将在电路中产生数倍于输出电压的暂态过电压，这一暂态过电压直接作用于汇流条等pcb重要器件，极易在较低的气压下引发放电并由于较大的电源功率引发闪络及电弧，极大威胁着航空器电源pcb的稳定运行及航空器自身安全。
4.目前，针对pcb设备闪络特性的研究主要依靠大功率电源设备引发闪络及稳定电弧，而该类设备往往具有较大的体积及成本，且测试过程中由于持续闪络的发生，往往导致试样仅可进行单次测试，不利于重复试验的开展。且已有的测试装备中往往采用恒定的直流或交流电源进行测试，该类测试只针对稳态下引发的闪络特性进行研究，对于暂态过电压下的研究则略显不足。同时，由于暂态过电压往往采用容性设备储能放电实现，其功率往往较低，且无法连续触发，往往设计为以一定频率间歇性触发。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试系统及方法，采用基于雪崩三极管击穿的多级脉冲电路作为电压源产生高压，产生具有快速ns级上升时间及下降时间的暂态过电压，用以测试暂态过电压下的pcb闪络特性；同时，引入闪络信号识别电路，实现闪络电压的自动识别，完成在较小的电源功率下实现对于pcb测试试样闪络特性的测量。
6.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
7.一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试系统，其特征在于：包括实验箱、脉冲电源、示波器、高频电流互感器、闪络信号识别电路、单片机闭锁电路及脉冲电源触发控制模块，所述试验箱内放置有pcb测试试样，所述pcb测试试样上对称设置有两条汇流条，一条汇流条连接至所述脉冲电源，另一条汇流条通过高频电流互感器后接地，所述高频电流互感器连接至所述闪络信号识别电路，所述闪络信号识别电路连接至所述单片机闭锁电路，所述单片机闭锁电路连接至所述脉冲电源触发控制模块，所述脉冲电源触发控制模块连接至所述脉冲电源，所述单片机闭锁电路还连接至所述示波器，所述示波器连接至所述脉冲电源。
8.而且，所述脉冲电源包括触发电路及级联电路，所述触发电路的输出端串联连接
有若干级联电路，所述级联电路的输出端输出纳秒脉冲输出电压；
9.所述触发电路包括第一电容、第二电阻、第一雪崩三极管、第一电阻、第二电容、第二雪崩三极管、第三电阻及第四电阻，所述第一电容的一端接入方波控制信号，所述第一电容的另一端并联连接至第二电阻的一端及第一雪崩三极管的基极，所述第二电阻的另一端分别并联连接至接地端及第一雪崩三极管的发射极，所述第三雪崩三极管的集电极分别并联连接至第一电阻及第二电容的一端，所述第一电阻的另一端分别接入直流电压输入及第三电阻的一端，所述第二电容的另一端分别连接至第二雪崩三极管的基极及第四电阻的一端，所述第三电阻的另一端分别连接至第二雪崩三极管的集电极及触发输出端，所述第二雪崩三极管的发射极连接至所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端分别连接至第一雪崩三极管的发射极及第二电阻的另一端；
10.所述级联电路包括第三电容、第三雪崩三极管、第五电阻及第六电阻，所述第三电容的一端连接至触发电路的触发输出端，所述第三电容的另一端分别连接至所述第三雪崩三极管的基极及第六电阻的一端，所述第三雪崩三极管的集电极分别连接连接至第五电阻一端及级联输出端，所述第五电阻另一端接入直流电压输入，所述第三雪崩三极管的发射极连接至所述第六电阻一端，所述第六电阻另一端连接接地端。
11.而且，所述闪络信号识别电路包括闪络电容及tl3016c电压比较器，所述闪络电容的输入端接入高频电流互感器的输出信号，所述闪络电容的输出端连接闪络第一电阻，所述闪络第一电阻的输出端并联连接有闪络第二电阻及tl3016c电压比较器，所述tl3016c电压比较器及闪络第二电阻的输出端均连接有闪络第三电阻，所述闪络第三电阻输出端输出ttl高电平并输入至单片机闭锁电路，所述闪络第三电阻输出端并联连接有闪络第四电阻及闪络第五电阻，所述tl3016c电压比较器、闪络第四电阻及闪络第五电阻均接地，所述闪络第一电阻、闪络第二电阻、tl3016c电压比较器、闪络第三电阻、闪络第四电阻及闪络第五电阻构成迟滞电压比较器。
12.一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试方法，其特征在于：所述测试方法的步骤为：
13.1)测试试样准备：将两根汇流条对称焊接于pcb表面形成pcb测试试样，使用酒精清理pcb测试试样并置于干燥箱内烘干；
14.2)脉冲电源确定：根据测试需要确定所需级联电路的数量，并将触发电路与多级级联电路串联连接，构成脉冲电源；
15.3)测试系统搭建：将烘干后的pcb测试试样置于实验箱内，并将实验箱、脉冲电源、示波器、高频电流互感器、闪络信号识别电路、单片机闭锁电路及脉冲电源触发控制模块连接，形成测试系统；
16.4)闪络起始电压值测试：给脉冲电源方波控制信号，产生纳秒脉冲暂态过电压，纳秒脉冲暂态过电压信号经过pcb测试试样，pcb测试试样上的汇流条发生闪络形成高频电流信号，高频电流互感器将高频电流信号转化为电压信号，电压信号通过闪络信号识别电路进行信号识别并产生ttl高电平，输出至单片机闭锁电路，单片机闭锁电路采用stm32l151c8t6单片机，且将连接闪络信号识别电路的i/o管脚设定为外部终端模式，并设定为上升沿触发模式，当闪络信号识别电路输出ttl高电平的方波信号时，i/o管脚识别出外部中断事件，当单片机在100ms内连续发生大约10次外部中断时，即判定为闪络发生；单
片机连接脉冲电源触发控制模块的i/o管脚设定为输出模式，当闪络发生时，此管脚立即输出高电平信号，此信号用以控制脉冲电源触发控制模块使其停止触发信号的输出，从而停止脉冲电压的发生；同时，单片机通过usb通信芯片ch340与示波器通信，当单片机判定闪络发生时，发送指令使示波器暂停，示波器的当前脉冲电压幅值即为闪络起始电压值。
17.本发明的优点和有益效果为：
18.1、本发明的测试对象为航空器中电源pcb上的汇流条，在测试过程中通过本发明的测试系统可以实现使用较小的电源完成其闪络电压的确定。
19.2、本发明的脉冲电源为包括触发电路及若干级联电路的脉冲电源，能够产生纳秒脉冲暂态过电压，从而实现不同电压级别脉冲的产生。
20.3、本发明引入闪络信号识别电路，当发生稳定闪络后能够快速进行闪络信号识别，并通过单片机闭锁电路传输至脉冲电源触发控制模块，控制脉冲电源停止脉冲信号产生，立即自动断开脉冲电源，从而实现对于测试试样的有效保护，同时通过程序控制实现切断时间电压源脉冲电压数值的读取，记录闪络起始电压值。
附图说明
21.图1为本发明测试系统的示意图；
22.图2为本发明触发电路的电路图及等效框图；
23.图3为本发明级联电路的电路图及等效框图；
24.图4为本发明触发电路与级联电路串联的电路图；
25.图5为本发明闪络电压测试试样的示意图；
26.图6为本发明闪络信号识别电路的电路图；
27.图7为本发明实施例的闪络起始电压值与温湿度的曲线图。
具体实施方式
28.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
29.如图1所示，一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试系统，其创新之处在于：包括实验箱、脉冲电源、示波器、高频电流互感器(hfct)、闪络信号识别电路、单片机闭锁电路及脉冲电源触发控制模块，所述试验箱内放置有pcb测试试样，所述pcb测试试样上对称设置有两条汇流条，一条汇流条连接至所述脉冲电源，另一条汇流条通过高频电流互感器后接地，所述高频电流互感器连接至所述闪络信号识别电路，所述闪络信号识别电路连接至所述单片机闭锁电路，所述单片机闭锁电路连接至所述脉冲电源触发控制模块，所述脉冲电源触发控制模块连接至所述脉冲电源，所述单片机闭锁电路还连接至所述示波器，所述示波器连接至所述脉冲电源。
30.如图2所示，触发电路包括第一电容、第二电阻、第一雪崩三极管、第一电阻、第二电容、第二雪崩三极管、第三电阻及第四电阻，所述第一电容的一端接入方波控制信号，所述第一电容的另一端并联连接至第二电阻的一端及第一雪崩三极管的基极，所述第二电阻的另一端分别并联连接至接地端及第一雪崩三极管的发射极，所述第三雪崩三极管的集电极分别并联连接至第一电阻及第二电容的一端，所述第一电阻的另一端分别接入直流电压
输入及第三电阻的一端，所述第二电容的另一端分别连接至第二雪崩三极管的基极及第四电阻的一端，所述第三电阻的另一端分别连接至第二雪崩三极管的集电极及触发输出端，所述第二雪崩三极管的发射极连接至所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端分别连接至第一雪崩三极管的发射极及第二电阻的另一端；
31.触发环节电路中采用方波信号实现控制，q1及q2选用雪崩三极管，利用其快速雪崩击穿特征实现电容器c2的快速放电，从而在触发输出端产生一个快速变化的纳秒级脉冲；通过调节100-300v直流电压，可实现对于脉冲电压输出幅值的调节，通过实验测试，改电路的电压调节范围为150-250v。
32.如图3所示，所述级联电路包括第三电容、第三雪崩三极管、第五电阻及第六电阻，所述第三电容的一端连接至触发电路的触发输出端，所述第三电容的另一端分别连接至所述第三雪崩三极管的基极及第六电阻的一端，所述第三雪崩三极管的集电极分别连接连接至第五电阻一端及级联输出端，所述第五电阻另一端接入直流电压输入，所述第三雪崩三极管的发射极连接至所述第六电阻一端，所述第六电阻另一端连接接地端，储能元件为电容器c3，通过雪崩三极管的击穿实现能量的快速释放从而在输出端形成脉冲电压，单个级联环节产生的可调脉冲电压值为150-250v。
33.为提高脉冲电压源的电压峰值，可采用多个级联电路串联的结构，本发明采用级数可调的多级脉冲产生电路，脉冲电源包括触发电路及级联电路，所述触发电路的输出端串联连接有若干级联电路，所述级联电路的输出端输出纳秒脉冲输出电压；如图4所示，实现对于输出脉冲电压的幅值控制，每增加一级级联电路，可使输出脉冲电压增加150-250v电压值，同时可通过调节直流电压数值来控制整体脉冲的输出电压幅值，使用时需在输出端连接电容器(200pf，600v)，以滤除直流电压的干扰。
34.如图6所示，闪络信号识别电路包括闪络电容及tl3016c电压比较器，所述闪络电容的输入端接入高频电流互感器的输出信号，所述闪络电容的输出端连接闪络第一电阻，所述闪络第一电阻的输出端并联连接有闪络第二电阻及tl3016c电压比较器，所述tl3016c电压比较器及闪络第二电阻的输出端均连接有闪络第三电阻，所述闪络第三电阻输出端输出ttl高电平并输入至单片机闭锁电路，所述闪络第三电阻输出端并联连接有闪络第四电阻及闪络第五电阻，所述tl3016c电压比较器、闪络第四电阻及闪络第五电阻均接地，所述闪络第一电阻、闪络第二电阻、tl3016c电压比较器、闪络第三电阻、闪络第四电阻及闪络第五电阻构成迟滞电压比较器。
35.如图6所示，当发生闪络时，hfct输出脉冲信号，此信号经0.1uf电容后进入由tl3016c电压比较器构成的迟滞电压比较器，即可由ttl电平输出端输出电压值为3.3v的方波信号，此信号进入后续单片机电路的i/o管脚，即可利用外部中断的设定识别出闪络的发生。
36.一种暂态过电压下的pcb闪络特性测试方法，其特征在于：所述测试方法的步骤为：
37.1)测试试样准备：如图5所示，将两根汇流条对称焊接于pcb表面形成pcb测试试样，使用酒精清理pcb测试试样并置于干燥箱内烘干，测试过程中一条汇流条连接高压电极，另一条通过导线接地；
38.测试可以针对裸露的汇流条展开测试，及使用裸露的金属材料进行测试。此外，还
可以针对有绝缘涂覆的材料进行闪络特性测试。因为在实际应用中，汇流条会根据制作工艺的不同在其表面涂覆绝缘漆或三防漆等材料以提高其绝缘性能。
39.2)脉冲电源确定：根据测试需要确定所需级联电路的数量，并将触发电路与多级级联电路串联连接，构成脉冲电源；
40.3)测试系统搭建：将烘干后的pcb测试试样置于实验箱内，并将实验箱、脉冲电源、示波器、高频电流互感器、闪络信号识别电路、单片机闭锁电路及脉冲电源触发控制模块连接，形成测试系统；
41.4)闪络起始电压值测试：给脉冲电源方波控制信号，产生纳秒脉冲暂态过电压，纳秒脉冲暂态过电压信号经过pcb测试试样，pcb测试试样上的汇流条发生闪络形成高频电流信号；
42.hfct即为高频电流互感器，其测量频段为500k-30mhz，当汇流条直接有发生闪络时，汇流条接地线内会流过频率较高的电流信号，利用hfct的检测即可将此电流信号转换为电压信号，每次闪络的发生对应一簇高频信号的产生；
43.当发生闪络时，hfct输出脉冲信号，此信号经0.1uf电容后进入由tl3016c电压比较器构成的迟滞电压比较器，即可由ttl电平输出端输出电压值为3.3v的方波信号，此信号进入后续单片机电路的i/o管脚，即可利用外部中断的设定识别出闪络的发生；
44.电压信号通过闪络信号识别电路进行信号识别并产生ttl高电平，输出至单片机闭锁电路；单片机闭锁电路采用stm32l151c8t6单片机，且将连接闪络信号识别电路的i/o管脚设定为外部终端模式，并设定为上升沿触发模式，当闪络信号识别电路输出ttl高电平的方波信号时，i/o管脚识别出外部中断事件，当单片机在100ms内连续发生大约10次外部中断时，即判定为闪络发生；
45.单片机连接脉冲电源触发控制模块的i/o管脚设定为输出模式，当闪络发生时，此管脚立即输出高电平信号，此信号用以控制脉冲电源触发控制模块使其停止触发信号的输出，从而停止脉冲电压的发生；
46.同时，单片机通过usb通信芯片ch340与示波器通信，当单片机判定闪络发生时，发送指令使示波器暂停，示波器的当前脉冲电压幅值即为闪络起始电压值。
47.实施例
48.(1)将2条汇流条以2mm间距焊接于pcb表面，使用酒精清理并置于50℃干燥箱内2h晾干；
49.(2)脉冲电源连接至所需的级数，并根据图1搭建测试系统；
50.(3)以50v/min的速度匀速升高脉冲电压值，直至发生闪络系统自动停止供电。
51.(4)记录示波器显示的电压幅值，以此记为该实验条件下的闪络电压。
52.获得的典型电压数据结果如图7所示，图示为不同的温度及湿度下测得的闪络起始电压数值。
53.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。