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研究生: 黃文聰
Wen-Tsung Huang
論文名稱: 交換式電源供應器磁性元件飽和特性之自動測試研究
Study of Automatic Test for Saturation Characteristic of Magnetic Component in a Switching Power Supply
指導教授: 蔡明忠
Ming-Jong Tsai
口試委員: 阮張榮
Zhang-Rong Ruan
陳金聖
Chin-Sheng Chen
黃忠偉
Jong-Woei Whang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2015
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 130
中文關鍵詞: 交換式電源供應器返馳式轉換器磁飽和磁場強度磁滯曲線自動化測試系統
外文關鍵詞: switching power supplies, flyback converter, magnetic saturation, magnetic field strength, hysteresis curves, automated test system
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  • 當一變壓器發生磁飽和,在一次側輸入端會產生高於數倍額定電流的激磁湧浪電流,使得電源供應器效率降低,且易使切換功率晶體損毀、變壓器壽命減短,以及電路誤動作,這是設計並測試電源供應器時所要注意的。
    本研究以兩台不同輸出瓦數的電源供應器,其輔助電源迴路皆為同型返馳式轉換器的變壓器,藉著整合自動化測試系統及圖表軟體的程式,建立一套完整的磁飽和測試功能,並繪製磁滯曲線,以得到工作磁通密度(Bw)及工作磁場強度(Hw)的數據而判斷磁性元件是否飽和,同時也取得殘磁量(Br),並自動產出測試報表。
    此外,安排測試熟練度不同的工程師測試磁飽和測項,以比較人工方式與自動方式的時間差異,並比較變壓器在各測試條件下的效率及各測項的差異。實驗結果證明,藉由本研究方法,可減少磁飽和測試時間至少50%。繪製的磁滯曲線,可提供元件飽和狀態的分析與明確的判斷,找出合適電源供應器的變壓器。本研究測試流程,導入自動化測試系統,除了原本的電氣特性測試,更增加系統的磁飽和測試功能,以提昇電源供應器磁飽和的測試效能,縮短產品開發測試的時程,提昇產品競爭力。


    When the magnetic saturation of a transformer occurs, it makes exciting inrush current higher than the rated current several times in the primary side of the input. The exciting inrush current may reduce the efficiency of a power supply, easily damage the switching power transistors, shorten the life of a transformer, and cause malfunction of a circuit. It is to be noted for designing and testing of a power supply.
    This study tests two power supplies with different output wattages, which contain the same type transformer of Flyback converter in auxiliary power loop. By integrating automated test systems and graphics software programs, this study establishes a complete set of magnetic saturation test functions and draws a hysteresis curve, in order to obtain working flux density (Bw), working magnetic field strength (Hw) data and determine whether the magnetic component saturates or not. Meanwhile the residual magnetism (Br) can be also calculated, and a test report is generated automatically.
    In addition, some engineers with different test proficiency are arranged to test magnetic saturation items to compare time difference between automatic mode and manual mode, and difference of the efficiency of the transformer at each test condition and each test item. The experimental results show that this research method can reduce at least 50% of the magnetic saturation test time. The created Hysteresis curve can provide clear reference for analysis and judgement of component saturation status, so that engineers can find a suitable transformer for a power supply design. In this study, an automated test system is built for the test processes. In addition to the electrical characteristics test, the magnetic saturation test is also incorporated. The goal is to improve the test efficiency of the magnetic saturation of a power supply, to shorten the time of development and test process of products, and to improve competitiveness of products.

    摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖表索引 VI 第一章 前言 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究方法(系統介紹)與步驟 3 1.4 文獻探討 3 1.5 論文架構 4 第二章 相關技術探討 5 2.1 交換式電源供應器簡介 5 2.1.1 電路架構 7 2.1.2 轉換器架構分類 9 2.2 變壓器 15 2.2.1變壓器介紹 15 2.2.2 變壓器的基本原理 16 2.2.3返馳式轉換器導通模式 18 2.3 磁飽和介紹 23 2.3.1 磁飽和現象 23 2.3.2 磁飽和產生原因及測試條件 25 2.3.3 磁滯現象 29 2.4 自動測試設備簡介 33 2.5 實驗室測試規範 39 第三章 磁飽和自動測試系統架構與測試流程 41 3.1 SMPS ATS系統硬體架構 41 3.2 SMPS ATS系統軟體架構 49 3.3 測試流程圖 56 3.3.1 磁性元件磁飽和測試流程 56 3.3.2 測試項目的程式測試流程 59 3.3.3 新產品測試階段流程圖 64 第四章 實驗結果與分析 66 4.1 實驗設計 66 4.1.1 設備安裝 66 4.1.2 測試項目編輯: 68 4.1.3 測試報告編輯: 74 4.1.4 變壓器參數及樣品 77 4.2 測試結果 80 4.2.1 15W輸出的變壓器磁飽和測試: 80 4.2.2 20W輸出的變壓器磁飽和測試: 90 4.3 測試分析比較 100 4.3.1 變壓器輸入電流比較 100 4.3.2 測項比較 101 4.3.3 15W&20W變壓器效率測試與分析 102 4.3.4 自動化測試效能比較 110 第五章 結論及未來展望 114 5.1 結論 114 5.2 未來展望 116 參考文獻 117

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