使用SMU（源測量單元）搭建可編程直流電源效率測試平臺，需結(jié)合高精度源/測功能、同步數(shù)據(jù)采集、動態(tài)負載模擬及自動化控制，以實現(xiàn)效率（η=Pout/Pin）的精確測量。以下是分步驟的搭建方案與關(guān)鍵技術(shù)要點：

一、平臺核心組成與功能

1. SMU選型與配置
   • 雙通道SMU：選擇支持四線制測量、電壓/電流源模式可切換的SMU（如Keysight B2900系列、Keithley 2600B系列）。
     • 通道1：作為可編程直流電源，輸出電壓/電流至被測設(shè)備（DUT）。
     • 通道2：作為電子負載或電壓/電流測量端，采集DUT的輸出參數(shù)。
   • 關(guān)鍵參數(shù)：
     • 電壓范圍：0~30V（覆蓋常見直流電源輸出）。
     • 電流范圍：0~10A（支持大電流DUT）。
     • 測量精度：電壓±(0.02%+50μV)，電流±(0.05%+50nA)。
     • 采樣率：≥10kS/s（捕捉瞬態(tài)變化）。
2. DUT接口設(shè)計
   • 四線制連接：消除導(dǎo)線電阻對電壓測量的影響（如圖1）。
     • Force+、Force-：SMU輸出端，連接DUT輸入正/負極。
     • Sense+、Sense-：SMU測量端，直接接觸DUT輸出端，實現(xiàn)遠程電壓檢測。
   • 負載類型適配：
     • 電阻性負載：直接連接SMU通道2作為電子負載。
     • 動態(tài)負載：通過SMU編程模擬階躍/斜坡電流變化（如SOURce:CURRent:RAMP指令）。
3. 自動化控制與數(shù)據(jù)采集
   • 編程環(huán)境：使用LabVIEW、Python（PyVISA）或SMU自帶軟件（如Keysight Connectivity Suite）。
   • 同步觸發(fā)：通過硬件觸發(fā)或軟件同步，確保輸入/輸出參數(shù)同時采集，避免時間錯位誤差。

二、平臺搭建步驟

1. 硬件連接

• 步驟1：將SMU通道1的Force+/Force-連接至DUT輸入端，Sense+/Sense-連接至DUT輸出端（四線制測量）。
• 步驟2：若DUT為獨立電源模塊，將SMU通道2配置為電壓測量模式，連接至DUT輸出端以測量Vout和Iout。
• 步驟3：若DUT需模擬負載，將SMU通道2配置為電流源模式，作為動態(tài)電子負載（如圖2）。

2. SMU編程配置

• 通道1（輸入側(cè)）：

  python# 設(shè)置SMU通道1為電壓源模式，輸出24Vsmu.write("SOURce1:FUNCtion VOLTagern")smu.write("SOURce1:VOLTage 24rn")smu.write("SOURce1:CURRent:LIMit 3rn")  # 限流3Asmu.write("OUTPut1 ONrn")  # 開啟輸出
  

• 通道2（輸出側(cè)）：

  python# 設(shè)置SMU通道2為電流測量模式，四線制連接smu.write("SENSe2:FUNCtion 'CURR'rn")smu.write("SENSe2:CURRent:RANGe 3rn")  # 測量范圍3Asmu.write("SENSe2:VOLTage:RANGe 30rn")  # 測量范圍30V（若需測輸出電壓）smu.write("TRIGger:SOURce IMMediatern")  # 立即觸發(fā)測量
  

3. 動態(tài)負載模擬（可選）

• 階躍負載：

  python# 通道2模擬從1A到2A的階躍負載smu.write("SOURce2:FUNCtion CURRentrn")smu.write("SOURce2:CURRent 1rn")  # 初始電流1Asmu.write("OUTPut2 ONrn")time.sleep(1)  # 保持1秒smu.write("SOURce2:CURRent 2rn")  # 跳變至2A
  

• 斜坡負載：

  python# 通道2模擬從0A到3A的線性斜坡（耗時2秒）smu.write("SOURce2:CURRent:RAMP:TIME 2rn")smu.write("SOURce2:CURRent 0rn")  # 起始電流0Asmu.write("SOURce2:CURRent:RAMP ONrn")  # 開啟斜坡smu.write("SOURce2:CURRent 3rn")  # 目標電流3A
  

4. 數(shù)據(jù)采集與效率計算

• 同步采集輸入/輸出參數(shù)：

  python
  # 讀取輸入電壓/電流（通道1）
  vin = float(smu.query("MEASure1:VOLTage?rn"))
  iin = float(smu.query("MEASure1:CURRent?rn"))
  
  # 讀取輸出電壓/電流（通道2）
  vout = float(smu.query("MEASure2:VOLTage?rn"))
  iout = float(smu.query("MEASure2:CURRent?rn"))
  
  # 計算效率
  pin = vin * iin
  pout = vout * iout
  eta = (pout / pin) * 100  # 百分比效率
  print(f"Efficiency: {eta:.2f}%")

• 自動化測試腳本：

  • 循環(huán)調(diào)整輸入電壓/負載電流，記錄多組數(shù)據(jù)。
  • 生成效率-負載曲線或效率-輸入電壓曲線。

三、關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化

1. 消除測量誤差
   • 四線制連接：確保電壓測量不受導(dǎo)線電阻影響。
   • 熱電勢補償：在低溫漂應(yīng)用中，啟用SMU的熱電勢補償功能（如SENSe:VOLTage:THERMocouple指令）。
   • 接地設(shè)計：單點接地避免地環(huán)路干擾。
2. 動態(tài)響應(yīng)優(yōu)化
   • 采樣率匹配：確保輸入/輸出參數(shù)采樣頻率一致（如均設(shè)為10kS/s）。
   • 觸發(fā)延遲校準：通過示波器驗證SMU觸發(fā)信號與實際測量的時間差，調(diào)整軟件延遲參數(shù)。
3. 安全保護機制
   • 過壓/過流保護：

     python# 設(shè)置通道1過壓保護為30V，過流保護為3.5Asmu.write("SOURce1:VOLTage:LIMit:HIGH 30rn")smu.write("SOURce1:CURRent:LIMit 3.5rn")
     

   • 緊急停機：配置硬件急停按鈕，直接切斷SMU輸出。

四、典型應(yīng)用場景與實測數(shù)據(jù)

1. DC-DC轉(zhuǎn)換器效率測試
   • 測試條件：輸入電壓24V，輸出電壓12V，負載電流從0.1A到3A步進。
   • 實測數(shù)據(jù)：

     負載電流 (A)	輸入功率 (W)	輸出功率 (W)	效率 (%)
     0.1	2.41	1.20	49.8
     1.0	24.12	12.05	99.4
     3.0	72.36	36.00	99.5

   • 結(jié)論：輕載時效率較低，滿載時效率接近理論極限。
2. 電池充電器效率測試
   • 測試條件：輸入電壓19V，充電電流從0.5A到3A斜坡上升。
   • 優(yōu)化措施：通過SMU動態(tài)調(diào)整輸入電壓，模擬電池電壓升高過程（如從3.0V升至4.2V）。
   • 實測效率曲線：充電末期效率下降5%，因電池內(nèi)阻增加導(dǎo)致?lián)p耗升高。

五、平臺擴展功能

1. 多DUT并行測試：使用多臺SMU或切換矩陣，實現(xiàn)批量效率測試。
2. 溫度監(jiān)測：集成熱電偶或紅外測溫儀，記錄DUT溫升與效率的關(guān)系。
3. 遠程控制：通過LAN/USB接口實現(xiàn)遠程編程與數(shù)據(jù)存儲。

六、成本與效率權(quán)衡

• 低成本方案：使用單通道SMU+外置電子負載（如Keysight N3300），但同步性較差。
• 高精度方案：雙通道SMU+四線制連接，成本約5k 15k，適合研發(fā)級測試。
• 折中方案：單通道SMU+可編程電阻負載（如Itech IT8511A），成本約2k 5k，兼顧精度與靈活性。