無(wú)線充電技術(shù)在汽車、手機(jī)、智能電器中已經(jīng)屢見不鮮，然而如何準(zhǔn)確測(cè)試到無(wú)線傳輸過程中的電功率損耗依舊是一個(gè)難題，今天我們介紹一種基于ZUS6000示波器的測(cè)試方案。

無(wú)線充電技術(shù)介紹

無(wú)線電能傳輸技術(shù)是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，利用兩個(gè)或多個(gè)具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)的電磁系統(tǒng)，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時(shí)彼此之間發(fā)生強(qiáng)烈的能量交換，從而通過振蕩源周圍空間電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量的高效率傳輸?shù)囊环N新技術(shù)。

無(wú)線充電與有線充電相比，有以下明顯優(yōu)勢(shì)，有線充電因?yàn)槭切枰€路連接，有接插頭，接插頭容易產(chǎn)生火花、漏電風(fēng)險(xiǎn)；硬件存在易磨損，觸電易發(fā)熱，起火等隱患；電壓等級(jí)、電流等級(jí)受到線纜限制因而影響充電功率，并且需要硬件設(shè)備，方便性較差。而無(wú)線充電便于靈活移動(dòng)，自動(dòng)化程度可以更高，而且沒有物理接口不會(huì)存在因物理接口帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，此外電壓、電流、功率等級(jí)可以更高，環(huán)境適應(yīng)性也會(huì)更強(qiáng)。無(wú)線充電在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，也有對(duì)應(yīng)不同的技術(shù)分類，我們總結(jié)了當(dāng)前無(wú)線充電技術(shù)的主要分類如表1所示，可以分為四類，感應(yīng)耦合方式、近場(chǎng)諧振方式、電場(chǎng)耦合方式、電磁輻射方式。每種方傳輸功率、工作頻率、傳輸距離各不相同，應(yīng)用也各有差異。比如感應(yīng)耦合傳輸距離在50cm以內(nèi)，傳輸功率范圍10W~1MW，比較適合當(dāng)前手機(jī)、汽車等的無(wú)線充電應(yīng)用。

表1 無(wú)線充電技術(shù)分

無(wú)線充電測(cè)試內(nèi)容與難點(diǎn)

無(wú)線充電越來(lái)越多的被應(yīng)用在各個(gè)場(chǎng)合，無(wú)線充電的測(cè)試要求也越來(lái)越高。無(wú)線充電的測(cè)試項(xiàng)目包括：

1、輸入特性：輸入電壓和頻率測(cè)試、輸入功率測(cè)試、輸入功率因數(shù)測(cè)試、輸入電流諧波限值測(cè)試等；

2、輸出特性：直流輸出電壓誤差測(cè)試、直流輸出電流電流測(cè)試、輸出電壓響應(yīng)測(cè)試等；

3、互操作特性：WPT系統(tǒng)無(wú)偏移條件下的效率測(cè)試、WPT系統(tǒng)有偏移條件下的效率測(cè)試等；

4、高頻特性：電壓響應(yīng)、輸出波形上升、下降時(shí)間測(cè)試、線圈參數(shù)、線圈電壓等；

5、安全特性：接觸電流、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試等；

在眾多的測(cè)試項(xiàng)目中，最難測(cè)試的是無(wú)線部分的功率傳輸，我們先來(lái)看表2。

表2 不同功率因數(shù)延時(shí)誤差對(duì)比

我們可以發(fā)現(xiàn)，頻率相同情況下，功率因數(shù)越低，延時(shí)誤差要求越高；功率因數(shù)相同的情況下，頻率越高，延時(shí)誤差要求越高。如85KHz情況下，功率因數(shù)為0.2時(shí)，1%精度的延時(shí)誤差為3.59ns，而我們常用的電流傳感器在測(cè)試85KHz信號(hào)時(shí)，原邊信號(hào)與副邊信號(hào)相位差可能都大于3.59ns，所以測(cè)試設(shè)備必須具備相位校準(zhǔn)功能，否則根本無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試無(wú)線端的功率和效率。

ZUS6000的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

根據(jù)上述內(nèi)容，我們知道，要實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)功率測(cè)試的準(zhǔn)確，主要因素有以下幾點(diǎn)：

1、測(cè)試儀器要有足夠的精度；

2、測(cè)試儀器要有足夠的帶寬，并且保證在高頻下的測(cè)量精度；

3、采集高頻電壓、電流時(shí)，需要保證電壓和電流信號(hào)的同步性，避免因?yàn)樾盘?hào)不同步帶來(lái)角度差，導(dǎo)致結(jié)果測(cè)試不準(zhǔn)確。

圖1 ZUS6000示波器

ZUS6000系列本身采用了12bit的ACD，采樣率高達(dá)5GSa/s，測(cè)量帶寬可以支持1GHz，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.5%，并且有足夠的帶寬保證，因此可以保證ZUS6000在無(wú)線充電頻率段的信號(hào)準(zhǔn)確測(cè)量。ZUS6000測(cè)試大電壓時(shí)需要外接差分探頭，測(cè)試電流信號(hào)時(shí)，需要外接電流探頭，不同通道連接外置探頭，會(huì)因?yàn)樘筋^本身的頻率相位影響和信號(hào)傳輸影響，帶來(lái)探頭間的相位偏移，因此如何消除探頭間的相位偏移，是ZUS6000準(zhǔn)確測(cè)試無(wú)線充電的關(guān)鍵因素。

相位偏移校準(zhǔn)

ZUS6000示波器測(cè)試無(wú)線功率時(shí)，主要的偏移誤差來(lái)自于探頭。探頭包括差分探頭和電流探頭兩類。如致遠(yuǎn)ZP1500D差分探頭和ZCP30探頭，從兩款探頭參數(shù)可以看到，ZP1500D帶寬為100MHz，ZCP30帶寬為50MHz。而目前無(wú)線充電常用到的信號(hào)頻率為幾十KHz到幾MHz范圍，其頻率大大小于探頭本身帶寬。而從探頭本身的幅頻特性來(lái)看如圖2所示，探頭測(cè)試的信號(hào)要在10MHz以上才開始出現(xiàn)衰減。因此針對(duì)無(wú)線充電信號(hào)，探頭本身不會(huì)產(chǎn)生衰減及明顯的角度誤差。

因此在采用ZUS6000示波器配套高頻差分探頭和電流探頭測(cè)試無(wú)線功率時(shí)，主要的相位偏移來(lái)自于探頭本身的信號(hào)傳輸過程，故如何消除探頭信號(hào)傳輸帶來(lái)的相位偏移，決定了是否能夠準(zhǔn)確測(cè)量無(wú)線充電功率的主要因素。

圖2 探頭幅頻特性圖

為了消除探頭因傳輸帶來(lái)的相位偏移，我們提供了偏移校正夾具ZDF1000，如圖3所示，該夾具通過USB接口供電，使用簡(jiǎn)單方便，是高速器件功耗測(cè)量的必備工具。

圖3 ZDF1000偏移夾具

為了更好的展示校準(zhǔn)夾具的工作效果，我們以ZUS6104配合ZDF1000為例進(jìn)行偏移校正的步驟效果演示。

1、根據(jù)實(shí)際的電壓探頭和電流探頭的連接情況，打開相應(yīng)通道并設(shè)置探頭類型和探頭比率。

2、按下“Auto Setup”按鍵，并通過捕獲模式菜單把捕獲模式設(shè)置為平均模式，平均次數(shù)設(shè)置為16，“SMALL LOOP 電壓”和“SMALL LOOP 電流”的信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 電壓電流波形圖

3、調(diào)節(jié)電壓通道和電流通道的垂直縮放和垂直偏移旋鈕，使波形幅度盡可能大但不超出屏幕的范圍，同時(shí)通過垂直偏移旋鈕，使電壓和電流波形的中間點(diǎn)靠近屏幕的中間。如圖5所示。

圖5 調(diào)整居中波形

4、調(diào)節(jié)水平縮放旋鈕，使電壓波形和電流波形之間的延時(shí)能夠充分地展現(xiàn)出來(lái)。如圖6所示。

圖6 有延遲效果波形

5、調(diào)節(jié)非觸發(fā)通道的延遲校正時(shí)間，使電壓和電流波形的中間點(diǎn)重疊于屏幕的中間。調(diào)節(jié)菜單界面及調(diào)節(jié)延遲校正時(shí)間后的電壓、電流信號(hào)波形如圖7所示。

圖7 延遲調(diào)節(jié)菜單

除以上手動(dòng)校準(zhǔn)偏移操作外，ZUS6000還支持自動(dòng)偏移校準(zhǔn)，自動(dòng)偏移校準(zhǔn)的第一步與手動(dòng)校準(zhǔn)第一步相同，將電壓電流波形呈現(xiàn)在屏幕上。

之前點(diǎn)擊“分析”菜單，找到“電源分析”功能，打開電源分析功能后，在彈出的菜單中選擇校準(zhǔn)功能，點(diǎn)擊“校準(zhǔn)”開始校準(zhǔn)，如圖8所示，校準(zhǔn)后波形會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)在屏幕上，如圖9所示。

圖8 自動(dòng)校準(zhǔn)偏移設(shè)置

圖9 校準(zhǔn)后的波形

探頭傳輸延時(shí)導(dǎo)致的相位偏移校準(zhǔn)完成之后，就可以正常使用ZUS6000示波器配合差分探頭和電流探頭進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的功率測(cè)試了。為了更好的實(shí)現(xiàn)功率測(cè)試功能，ZUS6000配備了專用的電源分析功能，如圖10所示。我們開啟效率分析功能，顯示結(jié)果如圖11所示，可以看到輸入端的電壓、電流、功率和輸出端的電壓、電流、功率，以及轉(zhuǎn)化效率參數(shù)。如果打開諧波功能，如圖12所示，可以看到各次諧波參數(shù)，并且可以看到有功功率、無(wú)功功率、視在功率等全面的功率參數(shù)。

圖10 電源分析功能

圖11 功率效率顯示

圖12 諧波分析顯示

ZUS6000是致遠(yuǎn)儀器推出的12bit的高分辨智能應(yīng)用示波器，不僅具備大存儲(chǔ)、多行業(yè)分析等基本功能，還首次提出了X-Key和自定義G鍵，邁向智能化測(cè)試分析應(yīng)用方向。為了基于ZUS6000可以開發(fā)出更多的行業(yè)應(yīng)用測(cè)試，并基于Python腳本運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的軟件功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)儀器產(chǎn)品的平臺(tái)化。