标签: 恒流源

程控电源的技术和应用远比多少工程师们想象的复杂。在过去的近一年中，老赤脚医生的博客上已经用了数十篇关于这方面的文章。今天，我们回到基础点，就是根据测试要求，迅速从大量的产品资料中迅速找到可能适合我们的产品 当您需要使用程控直流电源对被测器件 （ DUT ） 供电时 ，会 有众多电源厂商的产品可供选择。为缩小选择范围 ，选择最适合您需要的电源，就需要更为有效地查阅 电源的技术资料。尽管在技术资料中，电源的基本信息雷同，但您会注意到，不同电源厂商提供的技术指标说明是不完全一样的。为确保获得最合适的技术指标，您最好对被测器件需要的电源需有所了解。当然，首先是被测器件最大的输入电压、电流和功率。当然，还需要考虑是否需要动态的输入电压， 以及输入电压的精度范围。 之后，就需要考虑一下电源的测量能力了，如静态和动态的电流及电压，输出功率、测量精度等等。    在确定了被测器件的电源要求后 ， 您就可以仔细阅读技术资料中的电源技术指标 ， 从而找出符合您需求的电源产品。您很有可能会考虑以下技术指标： 直流输出额定值 显示了电源的最大电压、电流和功率。确保您的直流输入要求在上述数值范围内。 输出噪声 描述了夹杂在直流输出电压的交流成分 ， 通常用峰峰值电压和真有效值电压表示。如果被测器件对噪声敏感 ， 您必须选择低噪声电源。 负载调整率（也称为负载效应） 显示了静态输出电压随负载电流而变化的情形。如果您不希望被测器件的输入电压随电流而发生变化，就需要选择具有低负载调整率的电源。 负载瞬时恢复时间 是指在负载电流发生变化时，输出电压恢复到设定范围内所需要的时间。如果被测器件对输入电压短期显著变化非常敏感 ， 那么就需要选择负载瞬态恢复时间较短的电源。 源调整率 （ 也称为源效应）。 显示了静态输出的电压随交流输入电网电源变化的情形。如果您不希望被测器件的输入电压随交流电网电压波动而发生变化，那么可以选择源调整率较低的电源。 编程精度 显示了静态输出电压与编程设定值的差异。如果您想要精准地控制被测器件中的输入电压，那么可以选择编程精度较低的电源。 测量精度 显示了电压或电流的静态测量结果与实际输出值的差异。如果您想要非常精确地测量被测器件的输入电压或电流，那么可以选择测量精度较高的电源。 关于以上提到的所有这些参数的详细描述，在我以往的博客文章中都有描述： 程控电源技术与应用指南（ 4 ） - 纹波和噪声 程控电源技术与应用指南（ 5 ） - 超低纹波和噪声的精确测量方法 程控电源技术和应用指南（ 9 ） - 负载效应和源效应 程控电源技术和应用指南（ 10 ） - 瞬态响应（上篇） 程控电源技术和应用指南（ 10 ） - 瞬态响应（下篇） 用电源精确测 量电流 - 程控电源技术和应用（ 15 ） 如何确认电源精度 - 程控电源技术和应用指南（ 16 ） 动态电流和电压的测量 - 程控电源技术和应用（ 17 ）

     在文章 《直流电源的输出阻抗特性》（ http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_17697.HTM ） 中，   解释了直流电源在恒压 （ CV ） 和恒流 （ CC ） 工作模式下的输出阻抗特征。 我还谈到了解电源输出阻抗的重要性。 但是如果您希望验证手中直流电源在某个频率范围内的输出阻抗，那么应该怎么做？    有许多方法可以选择 ， 但目前最实用的方法可能就是选择一台高性能网络分析仪 ， 它可以工作在 10 Hz 至 1 MHz 低频范围内。 当然 ，如果您 需求， 还可以选用更高频段的。 即便采用了这种方法，您仍然需要进行适当的调整。      测量输出阻抗 ， 需要在网络分析仪正在测量的特定频率上注入干扰。 信号由网络分析仪提供，但还是需要进行一定量的转换。 在测量电压源的输出阻抗时，可将电流信号干扰施加到输出端。反之，在测量电流源的输出阻抗时，可将电压信号干扰施加到输出端。稍后将提到的两个设置实例， 就是使用两种不同的方法注入干扰。    随后 ， 使用网络分析仪的参考输入 “ R ” 来测量电流 ， 使用另一个输入 “ A ” 测量被表征电源输出端的电压。因此，网络分析仪测得的相对增益即为阻抗，公式如下： Z out = V out /I out = A/R     输出电压和电流信号需要与网络分析仪上的测量输入相兼容。 这意味着需要使用分压器探头进行电压测量，取决于电压电平，还需要使用电阻或电流探头将电流转换为适当的电压信号。此时的主要考虑因素是，需要根据所使用的电压和电流探头的增益或衰减， 做适当的标度常量运算，从而得到正确的阻抗读数。   图 1 ： 使用 Agilent 4395A 进行的直流电源输出阻抗测量    在图 1 中， 显示了使用 Agilent N4395A 网络分析仪的测量装置实例。此实例摘自 Agilent 4395A 产品指南的直流电源测试部分 （ 见下文 ） 。 此处的干扰通过隔离变压器注入，该隔离变压器通过隔流电容和 1 Ω 电阻在电源输出端上耦合。 1 Ω 电阻承担两方面的责任，一方面是将电压干扰变成电流干扰，另一方面是为“ R ”输入提供测量电流的方法。“ A ”输入随后直接对输出电压进行测量。    另外一种配置要更复杂一些。 在此配置中，网络分析仪的干扰信号馈送到 Agilent N3306A 电子负载模块的模拟输入端。 N3306A 为 电源的输出端提供指定的直流负载， 并在被测直流电源的输出端施加电流干扰。 N3306A 可用于根据需要进一步提高干扰电平。 最后，使用 N278xB 有源电流探头， 与配套的 N2779A 探头放大器来轻松测量电流信号。        由于 4395A 网络分析仪不再是有源设备 ， 所以我们现在使用 Agilent 3755A ， 同样 具有几乎相同的低频输入特性。 参考 ：“ Agilent 4395A 500 MHz 网络 / 频谱 / 阻抗分析仪开关电源测试 ” 5968-7274CHCN （ 请点击此处进行访问 ）

      在文章“程控线性电源的工作原理（  http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_16268.HTM ” 和“程控开关电源的工作原理    http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_16279.HTM ” 中，我们谈到了 程控电源是如何 使用反馈电路来控制直流电源的输出电压和电流。 高性能的反馈电路， 有助于帮助直流电源的性能接近于理想的状态， 也就是说，当电源工作再恒压模式下时，其输出阻抗应该是 0 ； 而在恒流模式下时，其输出阻抗应该是无穷大。 但电源内部导线器件上存在着固有阻抗，这就要依赖于这个反馈电路， 赋予电源这种理想的特性。 这也是为什么电源的负载调整率是电源最重要的指标之一，需要进行 100% 测量。   如果没有反馈电路的调整，一个的典型直流电源阻抗通常是 1 到几个欧姆，   我们用 Zout （ Open loop ）来代表这时的输出阻抗。 由于没有反馈电路，由于输出阻抗比较高，我们是不会得到高指标的负载调整率。 然而，当反馈控制放大器提供负反馈， 来修正由于负载引起的输出变化， 其输出阻抗将会发生改变， 我们可以用 Zout(closed loop) 代表此时的阻抗值。对于电源恒压模式下输出的阻抗：   Z out (closed loop) = Z out (open loop) / (1+T)     回路增益 T 是大约等于运算放大器增益乘以电压分压器网络的衰减。 在实际的反馈控制系统中， 放大器的增益相当大，在 DC 附近， 可以高达 90 dB 。 这可以把 DC 和低频输出阻抗降到毫欧级，甚至更低， 提供接近理想的负载调整性能。 实际反馈控制系统中的另一个因素， 就是随着输出频率的增加，为了保持输出稳定，就需要使用连续闭环控制增益的方法。 因此，在更高的输出频率下，直流电源恒压模式下工作时， 闭环的增益会下降， 而电源的输出阻抗会增加， 逐渐接近于无反馈电路时的阻抗。 如图一所示的安捷伦 6643A 直流电源输出阻抗随输出频率的变化。 图 1 ： 安捷伦 6643A 35V ， 6A 系统直流电源输出阻抗   从上图看出，在恒定工作模式下， 6643A 直流电源在 100 Hz 输出频率是， 只是约 1 毫欧姆。 但随着频率的上升，闭环增益下降， 输出阻抗也在发生明显的变化。   在图 1 中， 我们也可以看到， 电源在恒流模式下的反馈控制。 虽然电源在恒压模式下，可以非常接近理想的零输出阻抗； 但在恒流模式下，要让输出阻抗达到理想的无穷大，显然是不现实的。 在 6643A 直流电源的恒流模式下， 输出频率在 100Hz 之内时，输出阻抗 大约在 10 欧姆， 并随着频率的增加， 阻抗下降。 然而，对于 6643A ，随着输出频率的变化，恒流控制回路增益并没有太大的变化，这是因为输出滤波电容也支配着输出阻抗。 因此， 6643A 作为恒流源使用时，同样具备出色的输出电流负载调整率。   充分了解直流电源的输出阻抗，可以帮助我们精确地实现一些高级的测试。例如我们用直流电源模拟电源的纹波， 来测试电路板对纹波的抑制能力。这时，就需要电源在恒压模式下，能够输出一个直流偏置， 并在这个偏置电压上叠加几十到几百赫兹的纹波。在这种情况下，就必须对电源的输出阻抗有所了解，以确保输出电压的精度。   在以后的文章中，我们将谈到如何测量电源的输出阻抗  

     工程师在进行复杂测试时经常会遇到以下的难题 ： 在被测件上电时， 需要多个按照设定时序上电的偏置电压。许多被测件对于上电顺序非常敏感，错误的顺序可能导致被测件中止运行，更糟糕的是可能损坏被测件。有时，下电顺序也有要求。 因此， 无论是给被测件上电还是下电，顺序问题都非常重要。 除了顺序之外， 在极端的情况下， 各个偏置电压的上电斜率对被测件测试工作也是同等重要的。        解决上电和下电顺序的其中一个方法，就是利用PC控制多个 系统直流电源， 通过分别发送输出或通断命令的方法来实现。 但由于计算机本身的延时和指令发送时间的不确定性，再加上不同电源处理指令的时间也有很大的区别，这个方法精确性往往太差。而且，典型系统直流电源的实际开启时间可能需要几十毫秒，而且不同型号电源之间差别很大。每个电源的开启和关闭时间都需要仔细表征，以便知道相对于其他偏置电压而言，何时需要发送特定偏置电压的命令。输出开启或关闭命令的发送顺序很可能与输出实际变化的顺序大相径庭，因为不同的直流电源具有不同的时延！甚至还有一个更大的问题，在 PC 中 ，如果遇到更高级别的服务请求中断并抢先执行测试程序，那么很可能在输出命令上随机发生较大时延。在图1中，我们尝试利用这种方法设定路的顺序上电，每一路延时10ms. 在做了100次后的情况     图1：用PC控制电源的多路上电结果       从图上明显看到，上电的延迟的随机性非常大。根本无法控制 10ms 的上电顺序。       另一种常用的方法是增加外部定制的硬件来控制输出排序。这可以确保正确的排序，但是往往会极大增加复杂性，同时降低灵活性，而且由于控制器上存在阻抗引起明显的压降，也会串入更多的噪声和过冲，造成负载端的电压非常不精确。            Agilent N6700 系列多路输出模块化直流电源系统提供了更多的系统特性 ， 能够支持正确的上电和下电顺序。作为最多4路输出的电源系统，可以精确地设置每一路的上电和下电延迟。图 2 显示了如何设置 N6705B 直流电源分析仪 ， 确保为 PC 主板供电的直流输出以预定的顺序开启。 N6705B 直流电源分析仪主机主要适用于研发，如果在自动测试系统中， N6700 系列主机具有完全相同的特性，而且只有1U的高度，非常适合上架的应用。       图 2 ：设置输出时延和实际测量结果       就像设置通电顺序一样 ， 用户也能输入单独的下电时延 （ 如图 2 中的设置屏幕所示 ）， 使被测件能够按照预期关闭。不过，如果在发生异常情况需要紧急关闭， 您是否也希望按照某种顺序进行下电呢？我的同事给出了如何设置 N6700 系列直流电源系统，使其在某一路输出出现问题时仍能按照顺序关闭输出的过程。在这个实例中，有一路输出偶然出现过电压情况，但系统已经考虑到各种故障情况，可以采取相应的对策启动顺序关闭过程。   详细了解 N6705B 的上电顺序设置，可观看视频： http://v.youku.com/v_show/id_XNTMyMzY3MTM2.html?f=18816127      

  许多电池供电的设备都配有低电压检测电路，例如手机、对讲机和 GPS 等。 低电压检测电路旨在防止设备在低于安全值的电池电压下工作，从而确保内部电路的可靠运行。在正常工作情况下，电池的电压相对稳定，只有在长时间工作后，由于电能消耗过多，造成输出电压下降，当低于设备正常工作电压时，触发设备的低压检测电路，让设备关机。   然而， 在设备测试过程中，通常使用电源代替电池来供电。电源通常与被测件之间有一段距离， 所提供的电压会在导线上有损耗，而且由于负载脉冲电流引起的电压瞬态下降，也会导致设备中的低电压检测电路意外出错，从而中断测试。       下面将列举一些有效方法，以减少因电源电压输出端电流迅速变化所产生的电压下降。   1.       缩短用于连接电源和被测器件（ DUT ）的导线 导线包含电阻（ R ）和电感（ L ），两者都可在电流脉冲流经导线时产生电压。缩短导线长度可以减少因电阻和电感所产生的压降，进而减少被测器件的压降。   2.       使用直径较大的导线连接电源和被测器件 直径越大，电阻越小，因而能够减少在电流通过时产生的电压   3.       采用多股绞合的导线 更粗线径的电流缆可以降低导线上的电阻，但无法降低电感。 如果采用多股的紧密绞合的导线， 不仅可以降低电阻， 也可以降低电感，从而减少在电流通过时产生的电压。   4.       降低导线的电感    -   将电源的正负端输出线紧密地绞在一起。 切勿将电源的正负输出线分开， 这样将会增加电感， 增加电流引起的电压降，尤其是在电流迅速变化的时候（ V = L * dI/dt ）。简单地把导线紧靠在一起，效果要远好于随意放置。因此，我们强烈建议您将其紧密绞在一起。参见文章最后的示例。   l   采用多股紧密绞合的导线 如上文所述，多股紧密绞合的导线可以降低电感。 最好的办法是将正负导线绞在一起，然后分别将双绞线连接至被测器件。   l   使用低电感电缆 一些电缆专为低电感的需求而设计，例如 Goertz 导线。此外， Temp-Flex 公司也制造低电感电缆。这类导线能够大幅降低电源至被测器件路径中的电感，同时显著减少伴随电流瞬态产生的压降。但是，此类电缆价格较高。   5.       移除连接器 尽可能地移除电源和被测器件之间的连接器。因为当电流经过连接器时，连接点上的电压会降低。   6.       使用输出阻抗低的电源 一些电源供应商会公布输出阻抗图。请选择输出阻抗最低的一款电源。在输出脉冲电流是，输出阻抗较低的电源内部所生成压降会非常小。   7.       在电源输出端并联低 ESR （ 等效串连电阻） 电容 在电源输出端添加低 ESR （等效串联电阻）电容，您可以降低电源的有效输出阻抗。许多电源早已使用了低输出阻抗的输出电容，因此，只要您选择的电容器在实际使用时有助于降低整体输出阻抗，您就可以降低电源的有效输出阻抗。   8.       在被测件端并联低 ESR 电容器 在被测器件端并联电容能够提供被测器件所需的脉冲电流，以显著降低连接至被测件的导线上的压降。这是因为电容提供的脉冲电流不会流经导线，从而避免产生压降。因此，选择具有较低的等效串联电阻（ ESR ）电容十分重要。否则，当电流从电容中流出时，过大电阻会使电压再次下降。   如果您面临因电流迅速变化而导致压降的问题，上述任何一种方法都可帮助您减少压降。 如果压降幅度过大，您只使用其中一种方法可能无法解决问题。 必要时，您需要同时运用多个方法，以便从测试设置中获得最高性能。   下面列举一个简单的实例，用于说明采用三种不同的布线方法时的压降区别：随意放置导线、松散耦合导线和双绞线。使用 Agilent N6751A 电源，并通过 10 英尺 10AWG 导线与 Agilent 6063B 电子负载连接。 N6751A 的电压设为 5 V ，电流极限值为 5 A ，负载可在 1 A 和 3 A 之间切换，上升时间约为 10 us 。 该电源使用了远程感应，用于感应负载输入。使用电流探头来捕获电流（绿色的波形），然后在负载输入端上测量压降值（黄色的波形）。   你明显地可以看出，通过更好的导线绞合、降低电感可以减少压降。 随意放置导线时测得的压降值为 1.7 V 。使用松散绞合导线时，压降为 0.84 V 。使用双绞线将会进一步减少压降：压降值为 0.69 V 。                 使用随意放置导线时的压降值为 1.7 V   使用松散耦合导线时的压降值为 0.84 V 使用紧密双绞线时的压降值为 0.69 V