本發明涉及磁性材料表征，具體涉及一種磁性無源器件高頻特性表征方法及系統。

背景技術：

1、片上電源（pwrsoc）是最有前途的技術之一，可以在低功率電子設備中實現更高的集成度、更小的體積和更可靠的電壓調節，由于器件結構中磁性材料的質量和集成度問題，硅集成磁性元件是實現pwrsoc的關鍵瓶頸；建立在硅襯底上的空芯電感器是最簡單的解決方案，但需要較大的表面積來滿足轉換器的電感要求以及emi問題。薄膜磁芯電感被認為是一種很有前途的技術，可以實現高效率和面積高利用率。

2、與傳統磁芯鐵氧體相比，大多數軟磁薄膜具有更高的損耗，特別是在渦流損耗方面，因為它們具有更高的導電性，這些器件中磁性材料的低體積意味著與激勵信號水平相關的器件行為有很強的依賴性，dc-dc變換器的優化設計需要精確的磁性器件電氣參數，但現有的商業測量儀器，在集成硅變換器所涉及的頻率上，通常提供高達幾十毫安的電流激勵測量。目前小信號阻抗分析儀被廣泛用于表征高頻功率器件，然而它只能提供影響器件性能的某些損耗因素的信息，即銅損和渦流損耗，為了在“真實電路”條件下準確測量器件性能，需要施加更大的電壓信號，有了這些較大的信號，鐵損包括渦流損耗、磁滯損耗及異常損耗可得以完整測量。對于某些磁性材料，磁滯損耗可能比渦流更占主導地位，大信號測量系統必須建立在產生足夠的激勵信號和高精度測量等效阻抗的基礎上。阻抗測量是提取器件中電壓和電流波形之間的比率來進行的，使用寬頻帶示波器可以方便地進行電壓電流測量。然而，由于帶寬有限以及探頭失配等問題，電壓電流波形的精確提取以及時延的消除成為了重要的挑戰。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種磁性無源器件高頻特性表征方法及系統，通過生成高頻大信號激勵、精確采集電壓和電流信號、提取基波和諧波分量，并結合數字信號處理技術，實現了能夠在最高70mhz頻率、最大200ma激勵電流下對電感器阻抗的精確測量，以解決現有技術無法準確測量大信號條件下電感器阻抗的問題。

2、為了解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：一種磁性無源器件高頻特性表征系統，包括搭建的測試系統，測試系統包括以下功能模塊：信號產生模塊、數據采集模塊、數據處理模塊，所述信號產生模塊用于生成高頻下的大信號，所述數據采集模塊用于采集電感器兩端的電壓信號和流經電感器的電流信號，所述數據處理模塊用于對采集到的電壓和電流信號進行去噪、隔直以及傅里葉變換，得到信號的頻譜信息。

3、優選地，所述信號產生模塊包括信號發生器、功率放大器，所述信號發生器用于生成高頻下大信號，所述功率放大器用于放大信號以滿足測試需求并施加到待測電感器上；所述數據采集模塊包括電壓探頭、電流探頭、同軸電纜、示波器，所述電壓探頭與所述電流探頭用于采集電感器兩端的電壓信號和流經電感器的電流信號，所述同軸電纜用于將信號傳輸至示波器，所述示波器用于通過高精度的adc芯片捕捉高頻信號的細節。

4、優選地，所述信號發生器采用直接數字頻率合成技術，產生頻率范圍從1μhz到150mhz、幅度從1mvpp到20vpp的高頻信號；所述功率放大器采用寬帶線性放大器，在整個頻率范圍內提供功率輸出，最大輸出功率達100w；所述電流探頭為非接觸式電流探頭，基于霍爾效應傳感器，帶寬高達100mhz，靈敏度最高達10ma/div，且擁有±3%的交流精度；所述電壓探頭帶寬高達200mhz，高輸入阻抗10mω和低寄生電容15pf。

5、根據上述技術方案，所述一種磁性無源器件高頻特性表征系統，應用一種磁性無源器件高頻特性表征方法，方法包括以下步驟：

6、步驟s1：對采集到的電壓和電流信號進行去噪、濾波以及基線校正的預處理，對預處理后的信號進行傅里葉變換，得到信號的頻譜信息；

7、優選地，所述進行去噪具體包括：

8、s101：選擇daubechies小波基作為高頻信號去噪處理的小波基；

9、s102：根據信號頻率范圍確定小波分解層數；

10、s103：采用軟閾值方法對小波系數進行閾值處理，去除高頻噪聲成分；

11、s104：將處理后的小波系數進行小波重構，得到去噪后的信號。

12、優選地，所述進行濾波具體包括：采用數字濾波器進行濾波處理：即選擇一個帶通濾波器，通帶范圍為10mhz到70mhz，阻帶衰減大于60db，通過采用fir濾波器，使用窗函數法設計對去噪后的信號進行濾波，去除帶外噪聲；

13、優選地，所述基線校正具體包括：計算信號的均值作為基線估計值，從原始信號中減去基線估計值，得到校正后的信號，所述基線校正用于消除信號中的直流偏置；

14、優選地，所述進行傅里葉變換包括：采用blackman-harris窗進行加窗處理，對加窗后的信號進行快速傅里葉變換（fft），得到信號的頻譜，最后通過插值fft算法提高頻譜分辨率。

15、步驟s2：通過計算電壓頻譜與電流頻譜的比值，得到電感器在不同頻率下的阻抗數據；

16、步驟s3：同步對測試系統中的寄生參數及測試系統時延進行校準和補償；

17、優選地，所述進行校準包括：通過采用開路、短路和負載三種標準狀態進行系統校準，所述補償包括：根據系統校準結果對測量得到的阻抗數據進行補償，消除系統時延及寄生參數的影響。

18、步驟s4：將得到的阻抗數據進行擬合計算和分析，得到電感器在高頻下大信號的阻抗特性曲線。

19、優選地，所述對阻抗數據進行擬合計算和分析包括：采用最小二乘法對阻抗數據進行曲線擬合并計算，得到電感器在高頻下大信號的阻抗特性曲線，通過分析曲線的形狀和特征點，評估電感器的感值、品質因數、損耗密度的關鍵參數，同時通過對比不同信號強度下的阻抗特性，輸出電感器在大信號條件下的非線性特性，即輸出電感器在高頻下大信號的阻抗特性曲線。

20、與現有技術相比，本發明所達到的有益效果是：本發明：

21、（1）通過專門設計的測試系統和信號處理技術，能夠在高頻（最高70mhz）和大信號（最大200ma激勵電流）條件下精確測量電感器的阻抗特性，覆蓋了電感器在實際應用中的大部分工作頻率；

22、（2）通過小波變換、傅里葉變換、最小二乘法擬合等方式，極大程度上降低了外界干擾對于測量精度的影響；

23、（3）通過系統校準和補償，有效消除了測試系統中的時延和寄生參數影響，降低了損耗對高頻的敏感度，進一步提高了測量精度；

24、（4）測試頻率范圍從10mhz到70mhz，能夠覆蓋電感器在實際應用中的大部分工作頻率。通過分析不同頻率下的阻抗特性，可以全面了解電感器的頻率響應特性，為電路和電感器設計提供重要參考；

25、（5）通過對比不同信號強度下的阻抗特性，研究電感器在大信號條件下的非線性特性，為電感器的設計和優化提供重要依據；

26、（6）電感器采用pcb挖孔設計，可實現不同磁芯材料的更換測試，便于不同磁芯電感器的在高頻大信號下的性能評估。