Rigol進軍電子負載領(lǐng)域，打造10年壽命高可靠性DL3000

“Rigol 專注于測試測量行業(yè)，我們希望能為客戶提供功率類產(chǎn)品的測量解決方案，這樣僅僅有示波器、萬用表和電源是不夠的，必須要突破的一個產(chǎn)品就是電子負載。有DL3000 這個產(chǎn)品,Rigol才能充分發(fā)揮自身的產(chǎn)品組合優(yōu)勢,提供比較完整的功率測量的解決方案。”

——Andy，Rigol

眾所周知，Rigol(普源精電)以提供高性價比的示波器而著稱，自從1998 年創(chuàng)業(yè)至今已近20個年頭。Rigol 對于測試測量行業(yè)的意義，可以大概類比小米之于手機行業(yè)的意義。整個行業(yè)內(nèi)測試工程師都蒙其福澤，Rigol 降低門檻同時保證基礎(chǔ)可靠的測試結(jié)果，讓更多人更容易接觸到這一行業(yè)中來。在國內(nèi)和國外，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)布了其電子負載產(chǎn)品線——DL3000，21ic 也對其幕后研發(fā)者Andy進行了深入的采訪。

從文章開頭Rigol產(chǎn)品設(shè)計師Andy先生的話中我們可以明白，Rigol 在這一時間節(jié)點推出電子負載產(chǎn)品的意義所在：功率類產(chǎn)品的測試，電子負載是最基本測試測量儀器之一。而另一個訊號則是：要先給客戶提供一套功率測量的方案，Rigol 目前正缺少這樣的一款單品。放眼望去整個測試測量行業(yè)的廠商都在紛紛轉(zhuǎn)型——比如泰克表示要從提供一個box 到一個total solution，是德科技表示要從硬件轉(zhuǎn)向軟件和服務(wù)提供商;對于Rigol 而言，通過DL3000來補全功率測量解決方案，是其一個爆款單品發(fā)布背后的策略布局，也與整個測試測量行業(yè)的轉(zhuǎn)型切合。

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

見上圖，DL3000 系列目前提供了四款產(chǎn)品，DL3021 和DL3021A 代表200W 功率級別，DL2031和DL2031A 代表300W 功率級別。帶A 的產(chǎn)品型號在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)品的公開售價分別是：2,990、4,990、6,990、9,990。

整個前面板包含一塊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 軟件來對DL3000 進行配置、顯示和存儲等功能。

參數(shù)上就不用多說了，類比業(yè)界同價位DL3000 有著更精確的采樣值，更高速的CC 動態(tài)頻率，以及更易操作的圖形化界面方便客戶的測量應(yīng)用;總結(jié)下來，足夠的價格給予足夠的性能表現(xiàn)。然而找這些參數(shù)背后，整個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，這點也在與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，這才是真正給用戶省錢。Rigol 最初就是本著這個目標去設(shè)計的產(chǎn)品，十年后在二手市場買到可用的DL3000，將會是對其可靠性的最好肯定。”

讓我們從Andy先生的開發(fā)手記中來看下是DL3000 如何實現(xiàn)10 年目標的產(chǎn)品壽命

電子負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)過多長時間會損壞。

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

如何降低MOSFET 的溫度?

首先要先從散熱系統(tǒng)設(shè)計入手。Andy先生的團隊首先對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了熱仿真，基于熱仿真的結(jié)果確定了風道和散熱器的結(jié)構(gòu)，以及其他的結(jié)構(gòu)細節(jié)，甚至包括了組裝工藝。在這個過程中包含著各種參數(shù)的反復(fù)驗證，就拿散熱器長度為例，通過仿真他們發(fā)現(xiàn)散熱器長度為210mm，其散熱器效率最好，而超過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，同時再加上10 度的裕量。

結(jié)構(gòu)設(shè)計確定之后，測試驗證也必不可少，Andy從PCB 的第一版就配合結(jié)構(gòu)進行高溫50 度的可靠性驗證，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)端的驗證全部都在50 度的條件下進行。用熱電偶長期測試MOSFET 表面的溫度，并查看其溫度變化曲線。同時他還對比了其他廠家產(chǎn)品的MOSFET 實測溫度數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)顯示DL3000 中的MOSFET的實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)境下的極限測試，通過軟件和硬件放開所有的保護，讓其在400W，500W 的狀態(tài)工作了8 個小時后發(fā)現(xiàn)沒有問題，一直升到600W，在工作了半小時后之后機器才不能工作。至此，Rigol 的設(shè)計人員探知到了DL3000 可以達到的性能極限。

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

DL3000 還是會出現(xiàn)過熱保護(在散熱器上鎖定了兩個溫度傳感器實時監(jiān)測散熱器上的溫度)。于是Rigol 的設(shè)計人員又重新做了一遍研發(fā)過程中的實驗，發(fā)現(xiàn)MOSFET 的溫度變高了，這是為什么呢?通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，是工人在鎖定MOSFET 時候，沒有將螺釘鎖緊。沒有鎖緊也會導(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)中不會因為工藝問題而導(dǎo)致MOSFET 溫度變高。

如何保護電子負載的V×I 的值不會超過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電流。電子負載系統(tǒng)中的過流保護的閾值，過壓保護閾值，以及過功率保護閾值，要保證其在這個安全區(qū)以內(nèi)，這樣才能保護MOSFET 的實際V×I 的值不會因為超過安全工作區(qū)而損毀。

因為MOSFET 的安全區(qū)有時間的要求，以上圖為例，在10V 工作條件下，其單個MOSFET 最高能承受10ms 的30A 電流的拉載。有這樣的時間限制，就會要求電子負載的保護電路需要響應(yīng)的非常快，若要實現(xiàn)非?？斓谋Ｗo控制，必須要采用硬件實現(xiàn)，硬件的響應(yīng)時間可以在微秒級，如果是依賴軟件計算，其保護響應(yīng)就會非常的慢，因為無論是從ADC 取數(shù)還是軟件內(nèi)部的乘法運算都會非常的消耗時間。廉價的電子負載產(chǎn)品中對過壓，過流和過功率是沒有硬件保護的，他們一般都是依賴軟件計算去保護MOSFET。因為增加了硬件保護電路，就會增加很多成本。DL3000 為了實現(xiàn)高速的保護響應(yīng)，全部采用了硬件設(shè)計。Andy先生認為，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。

總的來說，DL3000 是一款超高性價比和可靠性的直流電子負載產(chǎn)品。通過DL3000，Rigol吹響了向電子負載領(lǐng)域進軍的號角;而且它的出現(xiàn)補齊了功率測試產(chǎn)品的產(chǎn)品組合，客戶以后可以直接從Rigol 得到比較全面的全套功率測試解決方案。

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