作者： Bill Martin，AMETEK可編程電源公司

用于測(cè)試電路板、模塊或設(shè)備的每個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)都需要一個(gè)或多個(gè)直流電源，用于給待測(cè)設(shè)備提供電源并提供測(cè)試激勵(lì)。在有些情況下，電源不僅要向待測(cè)設(shè)備提供電源，而且要通過(guò)模擬工作環(huán)境提供測(cè)試激勵(lì)源。舉例來(lái)說(shuō)，雖然大多數(shù)汽車電子設(shè)備工作在標(biāo)稱12VDC，但最大輸入電壓可能高達(dá)27VDC。正因?yàn)槿绱?，一些汽車?biāo)準(zhǔn)要求對(duì)12VDC器件進(jìn)行高達(dá)27VDC的極限測(cè)試。諸如此類的必要性決定了電源要求。下面讓我們看看在為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)選擇電源時(shí)需要考慮的常用電源規(guī)范有哪些？

線性電源還是開(kāi)關(guān)電源？

在購(gòu)買(mǎi)直流電源時(shí)首先要做出的決定是選擇線性電源還是開(kāi)關(guān)電源。線性電源具有較低的紋波和噪聲，并且具有快速的瞬態(tài)行為。但它們效率低，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而且很重。因此大多數(shù)工程師發(fā)現(xiàn)只是在較低輸出功率電平（一般500W以下）時(shí)比較合意。大多數(shù)線性直流電源是臺(tái)式電源。

圖1：基本線性電源。

對(duì)線性臺(tái)式電源來(lái)說(shuō)，一個(gè)非常適合的應(yīng)用是測(cè)試通信設(shè)備，比如無(wú)線電或移動(dòng)電話或雷達(dá)系統(tǒng)的解調(diào)模塊。這些設(shè)備具有非常靈敏的鑒頻器或解調(diào)器電路，這些電路在低噪聲系數(shù)下才能發(fā)揮理想的性能。為了測(cè)試這些單元的真實(shí)性能，我們需要確保直流電源不會(huì)給測(cè)試裝置增加任何寄生噪聲。由于線性電源具有比開(kāi)關(guān)電源更低的輸出紋波和噪聲，因此它們是這類應(yīng)用的較好選擇。

當(dāng)功率要求較低時(shí)，線性電源也是個(gè)很好的選擇。開(kāi)關(guān)電源的主要好處只能在較高輸出功率電平才能表現(xiàn)出來(lái)。因此，在每個(gè)直流輸出通道的功率要求不超過(guò)100W至200W的應(yīng)用中使用線性直流電源比較劃算。

從這一點(diǎn)來(lái)看，考慮系統(tǒng)中所有直流通道的總輸出功率非常重要。如果系統(tǒng)中有4個(gè)或4個(gè)以下的通道，而且功率要求比較低，那么比較明智的選擇是以19英寸機(jī)架安裝套件形式提供的4個(gè)線性電源。

如果系統(tǒng)要求更多的輸出通道，或更高的輸出功率，那么使用開(kāi)關(guān)電源是更好的選擇。開(kāi)關(guān)電源可以提供比線性電源更高的功率密度。通過(guò)使用開(kāi)關(guān)電源，你可以擁有12VDC輸出，并能以相同的機(jī)架安裝結(jié)構(gòu)提供高達(dá)4000W的功率。開(kāi)關(guān)電源要比線性電源更容易控制，而每通道的成本差不多。

即使在要求低紋波和噪聲輸出的應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電源也不只是更有效率。最近功率電子領(lǐng)域中的發(fā)展（如零開(kāi)關(guān)），極大地改進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲性能。當(dāng)你同樣認(rèn)為開(kāi)關(guān)電源比線性電源更加靈活、并且能夠提供更高的功率密度時(shí)，那么它們將成為除少數(shù)應(yīng)用外幾乎所有應(yīng)用的首選。

圖2：線性電源與開(kāi)關(guān)電源的噪聲譜。

瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)是衡量電源應(yīng)對(duì)電流需求變化或負(fù)載阻抗變化能力的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)這是一個(gè)很重要的指標(biāo)。

當(dāng)輸出電流需求在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)顯著增加或減少時(shí)，輸出電壓也可能發(fā)生顯著的下降或上升。電源內(nèi)部電壓控制環(huán)路試圖將輸出保持在設(shè)定電壓值，但響應(yīng)不是立即發(fā)生的。

為了得到更快的瞬態(tài)響應(yīng)，有時(shí)不得不勉強(qiáng)接受更大的紋波和噪聲。在可編程電源內(nèi)部，需要在內(nèi)部電壓控制環(huán)路和輸出濾波器之間進(jìn)行折衷。大的輸出濾波器可以限制紋波和噪聲，但會(huì)使電源更慢地響應(yīng)快速變化的負(fù)載。非?？斓膬?nèi)部電壓控制環(huán)路雖然可以縮短瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，但可能造成上沖或下沖，進(jìn)而可能損壞待測(cè)設(shè)備（DUT）。

圖3： 開(kāi)關(guān)模式可編程直流電源的典型瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)格。

移動(dòng)電話測(cè)試是瞬態(tài)響應(yīng)的典型應(yīng)用案例。在該應(yīng)用中，直流電源模擬移動(dòng)電話的內(nèi)部電源。當(dāng)話機(jī)開(kāi)始發(fā)送信號(hào)時(shí)，電流會(huì)很快上升。

對(duì)于話機(jī)的內(nèi)部電池來(lái)說(shuō)這不是個(gè)問(wèn)題，但對(duì)于可編程開(kāi)關(guān)電源而言，這是一個(gè)比較困難的任務(wù)。在這種情況下線性電源是比開(kāi)關(guān)電源更好的一個(gè)選擇，因?yàn)檫@種應(yīng)用的功率要求低，而線性電源的瞬態(tài)響應(yīng)一般來(lái)說(shuō)比開(kāi)關(guān)電源要好。

然而測(cè)試汽車?yán)^電器和熔絲又是另外一回事。對(duì)這種應(yīng)用而言，可編程直流電源必須能夠在高達(dá)30VDC的條件下提供大的電流，而且典型的功率要求是5kW至10kW。在這種測(cè)試中，大的直流輸出電壓上沖可能損壞繼電器或熔絲。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，你肯定希望電源能夠控制直流輸出電流從零瞬變到最大輸出或從最大輸出瞬變到零輸出。

使用預(yù)負(fù)載是限制上沖和下沖的一種實(shí)用技術(shù)?？梢詫⒁粋€(gè)預(yù)負(fù)載與待測(cè)設(shè)備并聯(lián)在一起，這時(shí)可編程電源的直流輸出將限制電流變化率，從而顯著減小直流電壓上沖和下沖的幅度。想像一下50%的電流流經(jīng)這個(gè)附加的預(yù)負(fù)載，另外50%的電流流經(jīng)待測(cè)設(shè)備。當(dāng)待測(cè)設(shè)備產(chǎn)生100%電流需求時(shí)，電源只看到50%的電流需求變化。管理50%而不是100%的電流需求變化對(duì)電源來(lái)說(shuō)容易得多，而且?guī)缀跸?a target="_blank">高壓上沖效應(yīng)，因而避免了對(duì)待測(cè)設(shè)備的任何損壞可能。在本例中可以使用簡(jiǎn)單便宜的阻性負(fù)載作為預(yù)負(fù)載。任何比例都是好的。換句話說(shuō)，為了獲得瞬態(tài)響應(yīng)和上沖規(guī)格的改善，這個(gè)新增負(fù)載吸收40%、50%還是60%的電流需求并不是關(guān)鍵。

圖4：使用預(yù)負(fù)載的測(cè)試方案示意圖。

使用預(yù)負(fù)載的缺點(diǎn)是要求兩倍的直流輸出電流。幸運(yùn)的是，如果你使用AMETEK的開(kāi)關(guān)電源，額外功率要求的代價(jià)是相當(dāng)便宜的。因此與專門(mén)的電源子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，針對(duì)這種特殊應(yīng)用使用預(yù)負(fù)載是一種成本很低、實(shí)用性更強(qiáng)的方法。

圖5：開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)。

擺率

下一個(gè)需要考慮的規(guī)格參數(shù)是直流輸出電壓的壓擺率（上升和下降時(shí)間）。為了改善紋波和噪聲性能，直流可編程電源的輸出濾波器中會(huì)使用存儲(chǔ)大量能量的大電容。這個(gè)濾波器的充放電時(shí)間和待測(cè)設(shè)備的電流需求是決定電源壓擺率的主要因素。壓擺率基本上與所連的待測(cè)設(shè)備無(wú)關(guān)。

對(duì)于大多數(shù)AMETEK電源來(lái)說(shuō)，直流輸出上升時(shí)間對(duì)大部分應(yīng)用而言是足夠快的。只需考慮直流輸出下降時(shí)間。下降時(shí)間不僅取決于可編程電源直流輸出端的內(nèi)部LCR濾波網(wǎng)絡(luò)，而且取決于所連接的待測(cè)設(shè)備。如果與電源電流容量相比待測(cè)設(shè)備抽取的電流相對(duì)較小，那么輸出電容中存儲(chǔ)的能量在通過(guò)待測(cè)設(shè)備耗盡之前可能要花很長(zhǎng)的時(shí)間。如果待測(cè)設(shè)備的最小電流要求至少是電源容量的60%，那么存儲(chǔ)的能量將立即釋放掉，輸出電壓的下降時(shí)間是最短的。雖然如此，在大多數(shù)情況下直流輸出下降時(shí)間都要比直流輸出上升時(shí)間慢兩到三倍。

改善直流輸出上升時(shí)間的一種方法是選擇具有更高直流輸出范圍的可編程電源。例如，如果待測(cè)設(shè)備是與汽車相關(guān)的設(shè)備，一個(gè)30VDC的電源可以覆蓋所有測(cè)試應(yīng)用，那就選擇一個(gè)60VDC的可編程電源，但只使用到30VDC。這樣做的理由是60VDC電源的輸出電容要比30VDC可編程電源的輸出電容小很多。兩種電源的輸出電壓從0V到滿刻度的時(shí)間是相等的。換句話說(shuō)，當(dāng)觀察單位為V/ms的上升時(shí)間時(shí)，60VDC電源的上升時(shí)間要比30VDC電源快一倍。

為了改善直流輸出下降時(shí)間，可以在待測(cè)設(shè)備或電源的直流輸出端并聯(lián)一個(gè)預(yù)負(fù)載。不過(guò)要確保預(yù)負(fù)載和待測(cè)設(shè)備加在一起的總電流需求至少要達(dá)到可編程電源電流能力的65%。這個(gè)方法要求電源提供更多的功率，因?yàn)樵谙嗤敵鲭娏鳁l件下要求更大的直流輸出電壓范圍。

典型的輸出電流擺率是45A/ms。AMETEK可編程電源公司生產(chǎn)的一些直流電源還支持固態(tài)激光應(yīng)用。這些是輸出電流擺率高達(dá)400A/ms的電流源。

將電子負(fù)載與電源串聯(lián)起來(lái)、并將電子負(fù)載用作電流調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)更快的電流擺率。這種組合允許電流擺率高達(dá)6000A/ms。

負(fù)載調(diào)整率

可編程電源的另外一個(gè)重要參數(shù)是負(fù)載調(diào)整率，它是指由于待測(cè)設(shè)備電流需求變化引起的輸出電壓距設(shè)置點(diǎn)變化的百分比。正常情況下這種效應(yīng)應(yīng)該是非常小的（不到設(shè)定輸出電壓的0.01%）。

圖6：作為負(fù)載變化函數(shù)的輸出電壓的變化百分比

線路調(diào)整率

線路調(diào)整率規(guī)定了作為交流輸入線路電壓函數(shù)的直流輸出電壓或電流的變化百分比。當(dāng)輸入線路電壓不穩(wěn)定時(shí)，這個(gè)參數(shù)就顯得尤其重要。

圖7：線路調(diào)整率對(duì)輸出電壓的影響。

穩(wěn)定性

穩(wěn)定性衡量的是電源輸出電壓或電流的長(zhǎng)期漂移性能。

磁盤(pán)測(cè)試就是一種典型的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中，可編程電源當(dāng)作是處于恒流模式的電流源。對(duì)于這種測(cè)試來(lái)說(shuō)，用戶需要確保磁通量值在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中是不變的。因此電源必須將直流輸出電流設(shè)定為一個(gè)特定值，并在測(cè)試期間保持這個(gè)值不變。穩(wěn)定性單位一般是百萬(wàn)分之一（ppm）。

并聯(lián)工作

如果你需要的輸出電流比單個(gè)電源能夠提供的還要大，將多個(gè)電源輸出并聯(lián)起來(lái)使用是常規(guī)的解決方案。AMETEK可編程電源公司提供專門(mén)的控制總線用于電源并聯(lián)。這種專用總線的好處是，并聯(lián)電源的總性能仍然能夠滿足為單個(gè)電源提出的原始規(guī)范要求。系統(tǒng)自己可以完成配置，并確定哪個(gè)單元是主，哪些單元是從。在連接快速瞬變待測(cè)設(shè)備時(shí)，通常推薦在每個(gè)電源的正輸出線上使用保護(hù)阻塞二極管。

當(dāng)以這種方式并聯(lián)電源時(shí)，你可以使用具有不同電流范圍的電源，但所有電源應(yīng)該具有相同的輸出電壓范圍。所有人工控制或遠(yuǎn)程控制都是通過(guò)主單元完成的。任何檢測(cè)線都只連接主單元。記住，總電流是每個(gè)單獨(dú)電源上顯示的電流值之和。一些先進(jìn)的型號(hào)，如Sorensen SGI系列，可以計(jì)算和顯示總的系統(tǒng)電流。

圖8：并聯(lián)電源在測(cè)試中的應(yīng)用。

串聯(lián)工作

為了提供比單個(gè)電源可以提供的更高的輸出電壓，可以將直流電源串聯(lián)起來(lái)使用。你全部要做的是將每個(gè)電源的正極連接到另外一個(gè)電源的負(fù)極。

雖然這個(gè)做法正確，不過(guò)有些限制。每個(gè)可編程電源都有電壓隔離指標(biāo)，一個(gè)是相對(duì)機(jī)箱隔離負(fù)的數(shù)值，一個(gè)是相對(duì)機(jī)箱隔離正的數(shù)值。需要確保不超過(guò)這些電壓值。

第二個(gè)限制是在串聯(lián)工作時(shí)，不存在主單元或從單元。這意味著每個(gè)電源需要單獨(dú)進(jìn)行編程。當(dāng)使用遠(yuǎn)程控制方法時(shí)，所有接口都需要通過(guò)光耦進(jìn)行電流隔離。大多數(shù)直流電源提供許多隔離型接口，包括模擬接口、RS-232、RS-485和以太網(wǎng)。

模擬編程

直流可編程電源通常提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的隔離型模擬接口。通過(guò)這個(gè)模擬接口可以設(shè)置電源的直流輸出電壓、電流和過(guò)壓保護(hù)（OVP）。這些值通過(guò)提供一個(gè)電壓信號(hào)、一個(gè)電流信號(hào)或?qū)⒁粋€(gè)電阻連接到模擬輸入端進(jìn)行控制。

舉例來(lái)說(shuō)，你可以使用PLC的模擬輸出控制電源的輸出電壓?；蛘吣憧梢允褂脽崦綦娮杩刂齐娫吹妮敵?。另外還提供電壓與電流監(jiān)視信號(hào)線和控制線，可以讓你在毫秒反應(yīng)時(shí)間內(nèi)使能或終止電源。

本地和遠(yuǎn)程檢測(cè)

許多直流電源可以被配置為本地或遠(yuǎn)程檢測(cè)。為了進(jìn)行更加精確的輸出電壓設(shè)置，應(yīng)該使用遠(yuǎn)程檢測(cè)。在這種模式中，你可以檢測(cè)電源連接負(fù)載處的電壓。這種方法會(huì)補(bǔ)償引線上的壓降。

如果檢測(cè)線很長(zhǎng)，建議使用屏蔽線纜，以避免任何可能疊加到主直流輸出上的干擾。遠(yuǎn)程檢測(cè)通常可以補(bǔ)償比規(guī)定大得多的壓降。使用遠(yuǎn)程檢測(cè)可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)電源線上的壓降較高時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)可能較慢，但通常這不是個(gè)問(wèn)題。

恒流模式

雖然大多數(shù)電源用在恒壓模式，但也有許多應(yīng)用要求直流電源工作在恒流模式。當(dāng)工作在恒流模式時(shí)，一些功能或規(guī)格參數(shù)是不可用的。例如在恒流模式下，遠(yuǎn)程檢測(cè)就不再是考慮事項(xiàng)，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)精度和分辨率也是。重要的是精確的電流控制。輸出電壓紋波和噪聲也不像輸出電流紋波和噪聲那樣重要。

在恒流模式中，模擬控制可以驅(qū)動(dòng)變化速度至少是電壓變化100倍的電流變化。從電壓模式到電流模式的轉(zhuǎn)換是自動(dòng)的。一旦電流需求超過(guò)設(shè)定的電流極限，直流電源就會(huì)向下調(diào)整電壓以匹配設(shè)定的電流極限，并使輸出電流保持恒定。

浪涌電流

對(duì)一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，浪涌電流是一個(gè)重點(diǎn)考慮因素。浪涌電流是第一次開(kāi)機(jī)時(shí)電子設(shè)備抽取的瞬態(tài)輸入電流。像電機(jī)和電源轉(zhuǎn)換器等一些負(fù)載會(huì)抽取很大的浪涌電流。因此電源需要通過(guò)調(diào)整以適應(yīng)這種浪涌電流。

數(shù)字控制和測(cè)量

一般來(lái)說(shuō)，可編程電源的輸出電壓和電流可以通過(guò)數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)最精確的設(shè)定，并且具有最高的分辨率。如前所述，直流電源通常提供許多不同種類的接口，包括RS-232、RS-485、USB、GPIB、Modbus-TCP、Modbus-RTU和以太網(wǎng)。

圖9：通過(guò)順序編程創(chuàng)建的快速輸出電流曲線支持熔絲額定值測(cè)試。

除了硬件外，大多數(shù)直流電源公司還提供相關(guān)的軟件，幫助你方便地將直流電源集成進(jìn)你的系統(tǒng)中。例如，AMETEK隨每個(gè)電源都提供IVI驅(qū)動(dòng)程序，電源可以用標(biāo)準(zhǔn)的SCPI命令進(jìn)行編程。這樣就使得系統(tǒng)編程和系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單得多。

附件和支持

在選擇電源時(shí)附件的多少也是一個(gè)重要的考慮因素。例如，如果你計(jì)劃用機(jī)架安裝電源，那就要檢查你的電源是否帶機(jī)架安裝附件。購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的機(jī)架安裝套件總是比你自己做一套要便宜得多。

本文小結(jié)

在選擇直流可編程電源時(shí)，有許多參數(shù)需要考慮。電氣參數(shù)可能是最重要的，但你還需要考慮外形尺寸、控制需求甚至附件的可用性。將所有這些因素考慮進(jìn)去，你就能為你的應(yīng)用作出最佳的選擇。

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