Rigol進(jìn)軍電子負(fù)載領(lǐng)域，打造10年壽命高可靠性DL3000

“Rigol 專(zhuān)注于測(cè)試測(cè)量行業(yè)，我們希望能為客戶(hù)提供功率類(lèi)產(chǎn)品的測(cè)量解決方案，這樣僅僅有示波器、萬(wàn)用表和電源是不夠的，必須要突破的一個(gè)產(chǎn)品就是電子負(fù)載。有DL3000 這個(gè)產(chǎn)品,Rigol才能充分發(fā)揮自身的產(chǎn)品組合優(yōu)勢(shì),提供比較完整的功率測(cè)量的解決方案。”

——Andy，Rigol

眾所周知，Rigol(普源精電)以提供高性?xún)r(jià)比的示波器而著稱(chēng)，自從1998 年創(chuàng)業(yè)至今已近20個(gè)年頭。Rigol 對(duì)于測(cè)試測(cè)量行業(yè)的意義，可以大概類(lèi)比小米之于手機(jī)行業(yè)的意義。整個(gè)行業(yè)內(nèi)測(cè)試工程師都蒙其福澤，Rigol 降低門(mén)檻同時(shí)保證基礎(chǔ)可靠的測(cè)試結(jié)果，讓更多人更容易接觸到這一行業(yè)中來(lái)。在國(guó)內(nèi)和國(guó)外，Rigol 都有著一眾粉絲。示波器之后，Rigol 又曾相繼推出波形發(fā)生器、頻譜分析儀等產(chǎn)品。而在今天，Rigol 在蘇州正式發(fā)布了其電子負(fù)載產(chǎn)品線(xiàn)——DL3000，21ic 也對(duì)其幕后研發(fā)者Andy進(jìn)行了深入的采訪(fǎng)。

從文章開(kāi)頭Rigol產(chǎn)品設(shè)計(jì)師Andy先生的話(huà)中我們可以明白，Rigol 在這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)推出電子負(fù)載產(chǎn)品的意義所在：功率類(lèi)產(chǎn)品的測(cè)試，電子負(fù)載是最基本測(cè)試測(cè)量?jī)x器之一。而另一個(gè)訊號(hào)則是：要先給客戶(hù)提供一套功率測(cè)量的方案，Rigol 目前正缺少這樣的一款單品。放眼望去整個(gè)測(cè)試測(cè)量行業(yè)的廠(chǎng)商都在紛紛轉(zhuǎn)型——比如泰克表示要從提供一個(gè)box 到一個(gè)total solution，是德科技表示要從硬件轉(zhuǎn)向軟件和服務(wù)提供商;對(duì)于Rigol 而言，通過(guò)DL3000來(lái)補(bǔ)全功率測(cè)量解決方案，是其一個(gè)爆款單品發(fā)布背后的策略布局，也與整個(gè)測(cè)試測(cè)量行業(yè)的轉(zhuǎn)型切合。

說(shuō)了那么多接下來(lái)審視一下Rigol 的這一款DL3000，分析其成為爆品的潛質(zhì)

見(jiàn)上圖，DL3000 系列目前提供了四款產(chǎn)品，DL3021 和DL3021A 代表200W 功率級(jí)別，DL2031和DL2031A 代表300W 功率級(jí)別。帶A 的產(chǎn)品型號(hào)在CON 頻率范圍、回讀電流分辨率等參數(shù)方面更優(yōu)秀一些，四款產(chǎn)品的公開(kāi)售價(jià)分別是：2,990、4,990、6,990、9,990。

整個(gè)前面板包含一塊4.3inch 的顯示屏，輸入通道和按鍵旋鈕區(qū)。

背板包含各種基本接口，電源線(xiàn)插座以及偌大的散熱窗。

軟件方面，Rigol 提供了最新的S1501 Ultra Load 軟件來(lái)對(duì)DL3000 進(jìn)行配置、顯示和存儲(chǔ)等功能。

參數(shù)上就不用多說(shuō)了，類(lèi)比業(yè)界同價(jià)位DL3000 有著更精確的采樣值，更高速的CC 動(dòng)態(tài)頻率，以及更易操作的圖形化界面方便客戶(hù)的測(cè)量應(yīng)用;總結(jié)下來(lái)，足夠的價(jià)格給予足夠的性能表現(xiàn)。然而找這些參數(shù)背后，整個(gè)DL3000 系列最不顯山露水但傾注極大心血的地方，應(yīng)該是保證其超高的可靠性的設(shè)計(jì)，這點(diǎn)也在與Andy先生的交流中被多次提及：“如果DL3000可以用3 年、5 年乃至10 年，這才是真正給用戶(hù)省錢(qián)。Rigol 最初就是本著這個(gè)目標(biāo)去設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，十年后在二手市場(chǎng)買(mǎi)到可用的DL3000，將會(huì)是對(duì)其可靠性的最好肯定。”

讓我們從Andy先生的開(kāi)發(fā)手記中來(lái)看下是DL3000 如何實(shí)現(xiàn)10 年目標(biāo)的產(chǎn)品壽命

電子負(fù)載的可靠性主要體現(xiàn)在功率元件MOSFET 是否容易損壞或者經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)損壞。

而導(dǎo)致MOSFET 損毀有兩個(gè)最重要的原因，1. 過(guò)高的工作溫度，2. 實(shí)際工作的V×I 值超過(guò)了MOSFET 的安全工作區(qū)間。Kikusui，Keysight 以及Chroma 等高價(jià)格產(chǎn)品在這兩個(gè)方面都下足了功夫。

如何降低MOSFET 的溫度?

首先要先從散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手。Andy先生的團(tuán)隊(duì)首先對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了熱仿真，基于熱仿真的結(jié)果確定了風(fēng)道和散熱器的結(jié)構(gòu)，以及其他的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，甚至包括了組裝工藝。在這個(gè)過(guò)程中包含著各種參數(shù)的反復(fù)驗(yàn)證，就拿散熱器長(zhǎng)度為例，通過(guò)仿真他們發(fā)現(xiàn)散熱器長(zhǎng)度為210mm，其散熱器效率最好，而超過(guò)210mm 散熱的效果增加并不明顯。所有這些數(shù)據(jù)都體現(xiàn)在MOSFET 的結(jié)溫上，仿真得到了每一個(gè)MOSFET的結(jié)溫，取仿真得到最高的結(jié)溫溫度作為其可以接受溫度的下限，同時(shí)再加上10 度的裕量。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定之后，測(cè)試驗(yàn)證也必不可少，Andy從PCB 的第一版就配合結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫50 度的可靠性驗(yàn)證，雖然產(chǎn)品給定的工作溫度范圍是0 到40 度，但是在研發(fā)端的驗(yàn)證全部都在50 度的條件下進(jìn)行。用熱電偶長(zhǎng)期測(cè)試MOSFET 表面的溫度，并查看其溫度變化曲線(xiàn)。同時(shí)他還對(duì)比了其他廠(chǎng)家產(chǎn)品的MOSFET 實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示DL3000 中的MOSFET的實(shí)際工作溫度是低于其他產(chǎn)品的。不僅如此，Andy還做了DL3000 在50 度環(huán)境下的極限測(cè)試，通過(guò)軟件和硬件放開(kāi)所有的保護(hù)，讓其在400W，500W 的狀態(tài)工作了8 個(gè)小時(shí)后發(fā)現(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題，一直升到600W，在工作了半小時(shí)后之后機(jī)器才不能工作。至此，Rigol 的設(shè)計(jì)人員探知到了DL3000 可以達(dá)到的性能極限。

然而確保MOSFET 正常溫度工作的事情至此還沒(méi)有完，在工程驗(yàn)證階段還是發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：

DL3000 還是會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)(在散熱器上鎖定了兩個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)散熱器上的溫度)。于是Rigol 的設(shè)計(jì)人員又重新做了一遍研發(fā)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MOSFET 的溫度變高了，這是為什么呢?通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，是工人在鎖定MOSFET 時(shí)候，沒(méi)有將螺釘鎖緊。沒(méi)有鎖緊也會(huì)導(dǎo)致MOSFET 溫度變高。于是Andy和工藝工程師重新確定MOSFET 的鎖緊扭力為1.1N。這樣保證了在批量生產(chǎn)中不會(huì)因?yàn)楣に噯?wèn)題而導(dǎo)致MOSFET 溫度變高。

如何保護(hù)電子負(fù)載的V×I 的值不會(huì)超過(guò)MOSFET 的安全工作區(qū)?

MOSFET 的安全工作區(qū)如下圖所示，它表示在不同的電壓下可以承受多少的瞬時(shí)電流。電子負(fù)載系統(tǒng)中的過(guò)流保護(hù)的閾值，過(guò)壓保護(hù)閾值，以及過(guò)功率保護(hù)閾值，要保證其在這個(gè)安全區(qū)以?xún)?nèi)，這樣才能保護(hù)MOSFET 的實(shí)際V×I 的值不會(huì)因?yàn)槌^(guò)安全工作區(qū)而損毀。

因?yàn)镸OSFET 的安全區(qū)有時(shí)間的要求，以上圖為例，在10V 工作條件下，其單個(gè)MOSFET 最高能承受10ms 的30A 電流的拉載。有這樣的時(shí)間限制，就會(huì)要求電子負(fù)載的保護(hù)電路需要響應(yīng)的非?？?，若要實(shí)現(xiàn)非常快的保護(hù)控制，必須要采用硬件實(shí)現(xiàn)，硬件的響應(yīng)時(shí)間可以在微秒級(jí)，如果是依賴(lài)軟件計(jì)算，其保護(hù)響應(yīng)就會(huì)非常的慢，因?yàn)闊o(wú)論是從ADC 取數(shù)還是軟件內(nèi)部的乘法運(yùn)算都會(huì)非常的消耗時(shí)間。廉價(jià)的電子負(fù)載產(chǎn)品中對(duì)過(guò)壓，過(guò)流和過(guò)功率是沒(méi)有硬件保護(hù)的，他們一般都是依賴(lài)軟件計(jì)算去保護(hù)MOSFET。因?yàn)樵黾恿擞布Ｗo(hù)電路，就會(huì)增加很多成本。DL3000 為了實(shí)現(xiàn)高速的保護(hù)響應(yīng)，全部采用了硬件設(shè)計(jì)。Andy先生認(rèn)為，為了增加可靠性而增加的這些成本是值得的。

從上文中Andy先生的諸多心血可以看出，確保一款產(chǎn)品的可靠性絕非易事。而且這種不流于表面的品質(zhì)追求，不惜投入的工匠精神，正是與Rigol 創(chuàng)業(yè)初期延續(xù)至今品牌精神相契合。

總的來(lái)說(shuō)，DL3000 是一款超高性?xún)r(jià)比和可靠性的直流電子負(fù)載產(chǎn)品。通過(guò)DL3000，Rigol吹響了向電子負(fù)載領(lǐng)域進(jìn)軍的號(hào)角;而且它的出現(xiàn)補(bǔ)齊了功率測(cè)試產(chǎn)品的產(chǎn)品組合，客戶(hù)以后可以直接從Rigol 得到比較全面的全套功率測(cè)試解決方案。

(注：本文關(guān)于MOSFET 可靠性測(cè)試的內(nèi)容選自Andy[持久耐用的電子負(fù)載才是最省錢(qián)的選擇]一文)