标签: 电源的保护特性

老赤脚医生在过去这段时间内，谈到了很多电源安全保护的措施。但不正确的电源设置，即使电源的安全保护措施再好，也有可能造成惨剧。这是一个真实的故事， 我想讲出来，让更多的工程师了解使用程控电源中可能存在的问题和危险，更小心谨慎地安全使用手中的电源。同时，在文章的结尾，也给大家一些预防的小提示. 我们有个用户，从事太阳能电池板测试和指标认证。其中一项重要的工作，就是在温度循环试验箱中对电池板进行老化和测试， 同时，用一组安捷伦的 N5700 大功率程控电源进行供电，见下图。这不是一个复杂的系统，但一次意外事件，让温度箱中的电池板全部烧毁，而且温度箱也受损。      故事是这样的。这个用户的老化和测试的系统，需要进行 24 小时以上的长时间运行。由于电源本身有完善的过压和过流保护，一旦出现问题，可以立刻关断输出。因此，通常情况下，系统在工作的时候非常安全，无需工作人员的 24 小时职守。但有一天晚上，由于雷击，整个实验室出现了短暂的断电。当市电恢复后，电源恢复了输出，为温度箱内的被测件通电，但遗憾的是，温度箱没有自动恢复功能，于是造成了温度箱内测件温度过高，全部报废， 温度箱也严重受损！      这个教训非常惨痛。但是否可以避免呢？ 事实上，如果设置得当，这个事故完全可以避免。      首先是程控电源唤醒启动模式的设置。 一般的程控电源有两个唤醒启动模式，即安全启动模式和自动启动模式。在安全启动模式下，电源启动在出厂默认模式下，输出为零，过压和过流保护为最大输出值。 而自动启动模式下， 电源会进入最后一次使用设定的模式。 在安全模式下， 在每一次使用电源的时候，都要重新设置。而自动模式就非常方便， 自动进入最后一次使用的设置，无需重新设置， 但如果更换被测件，或者测试条件改变，都存在一定的危险性。 这位用户在他的测试设置中，用的就是自动启动工作模式。 在这种长时间的老化试验中，如果没有专人 24 小时职守，为了避免出现这样的问题，在没有其它监控措施的情况下，最后还是设置为安全模式      当然，如果能加入一些温度监控和报警措施，也可以避免这种情况的出现。一种方法是采用一套温度监测和报警系统，例如 Agilent 34972A 温度采集器。它不仅可以连续监测多路的温度，一旦被测件出现过温，可以有报警输出，也可以送出一个触发信号，接到电源的“远端禁止”，让电源的输出降为零。）关于电源远端禁止的保护功能，请看6月29日的文章： 远端禁止和故障指示 – 程控电压技术和应用（24） （ http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_17514.HTM） ）。 Agilent 34972A 也是用 220V 市电供电， 但它可以在断电恢复后，自动进入先前的状态，并开始数据采集和监控， 并且利用非遗失性存储器记录所有数据。 34972A 和 N5700 电源都配有符合 LXI 标准的 LAN 口， 全部可以通过网络进行监控。 因此，您可以通过网络，随时随地监控各种数据和改变仪器的设置        安捷伦 N5700 电源的唤醒模式可以从前面板设置。 具体的设置方式见相关视频：     不能播放视频的请点击下面的链接： http://v.youku.com/v_show/id_XMzY4NTkwMTIw.html?f=17488112    

  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

   在 5 月 14 日和文章 电源的 “ 刹车系统 ”OVP - 程控电源的技术和应用（ 21 ） 和 5 月 21 日的文章 电源的 “ 刹车系统 2” （ OCP ） - 程控电源技术和应用（ 22 ） 中，我们谈到了电源这两个过压和过流最基本的保护功能。但在很多实际应用中，需要更多的保护能力，来充分确保被测件的安全。      在测试过程中，被测件可能会包括一些 未被查明 的潜在故障 、意外误接、电源误用、以及其它各种意外事件 所导致的无意伤害。为此 ，高 性能的系统直流电源除了配置有OVP 和OCP 以外，还集成了多个有用特性 ， 专门用于在意外故障发生时保护被测器件和电源。在这篇文章中，我们将谈到安捷伦直流系统电源的两个相关的保护特性： 远端禁止和离散故障终止（ RI/DFI ）功能 。它们提供实时保护，能够在意外事件或故障发生时立即关闭或启用电源，迅速采取相应措施。       远端禁止， 顾名思义是一种输出的控制功能 ，可以利用外部的信号，中断电源的输出，以保护被测件。它一旦被 激活可以立即禁用直流电源的输出。其典型的应用环境包括：   l   与测试系统的紧急关断开关配合使用，这种开关可能是一个大按钮。如果测试工程师一旦发现测试故障，会立即按下紧急关断开关； 同样，测试夹具上的一个故障指示信号，都也可以用来自动迅速激活这个功能，电源关掉输出。如下图1所示。   l   如果被测件出现故障，可以立刻送出一个关断信号到电源的远端禁止的控制端，通知电源迅速关闭。如图1所示。     图 1 ： 使用外部开关的远端禁止      故障指示 功能是指当电源可以输出数字信号，表明其所处的系统状态。状态系统是一种在电源中可配置的逻辑系统，使用一系列寄存器来跟踪运作事件、可疑事件和标准事件等状态。大部分事件都可以从逻辑上进行“ OR ”运算。 当电源出现特殊的、不可预测的故障事件， 例如过压和过流时，它可以输出故障指示信号，通知被测件或其它的电源立即采取相应的行动      故障指示可以和远端禁止一同使用。例如，在测试系统中采用了两个以上的电源同时给被测件供电，如果其中的一台电源出现了过压或过流保护，它可以立即启动这个功能，将故障指示输入另外一台电源的远端禁止，将其这台电源的输出也立即关闭输出。例如，图 2 是安捷伦66000系列模块化电源的数字 I/O 端口的示例。数字 I/O 端口配置为故障/禁止（也称 RI/DFI ）。引脚 1 和引脚 2 分别是隔离晶体管的集电极开路和发射极开路，可作为数字输出控制使用。引脚 3 和引脚 4 分别是用于禁止控制输入的数字输入和数字共模。保护被测器件时，远端禁止和故障指示可以独立使用，也可以组合使用。     图 2 ： Agilent 6600A 系列系统直流电源的多功能数字 I/O 端口   同样， 故障指示输出也可以控制外部活动以便保护被测器件 ， 例如通过打开断路继电器来隔离被测器件 ， 如图 3 所示。 图 3 ： 故障输出可用于控制外部断路继电器      对于需要多种偏置电压输入的被测器件 ，如果其中一个偏置输入检测到故障，那么与之相连的其它偏置输入将会立即关闭 。多个直流电源中的故障输出和远端禁止输入在连接之后即可搭配使用，能够共同保护被测器件，如图 4 所示。      图 4 ： 将多个直流电源上的故障指示灯和远端禁止连接在一起     总之，高性能 系统直流电源上的远端禁止和故障指示数字控制信号提供多种即刻禁用和关闭电源的方法 ， 并采取其它措施以保护被测器件。这些措施即时生效，无需与测试系统控制器通信和操作人员介入。同时，系统直流电源可以生成状态信号，并向测试系统控制器发送服务请求（ SRQ ），从而当发生故障时可获得通知，并能采取适当行动。许多良好的系统直流电源都具备多个保护特性，能够充分地保护被测器件以防受到损害。远端禁止和故障指示灯数字控制信号只是其中的两种特性  

     我们在 文章 电源的“刹车系统2”（OCP）- 程控电源技术和应用（22） 谈到了电源的过流保护 （ OCP ） 和电流限制 （ Current Limited ）。所谓的电流限制，就是在电源中设定一个电流的高限，一旦负载的电流过载，电源输出即可停留在这个设定的电流限定值。也在文章 程控电源技术和应用指南（ 3 ） - 恒压和恒流输出模式 ， 谈到了电源的恒流工作模式。在这篇文章中， 我们来谈一下恒流工作模式和电流的限制的区别。   首先，我们先回顾一下具备恒压和恒流 （ CC/CV ）工作模式的高性能电源。 在之前的文章中，我们谈过，安捷伦提供的所有高性能的可编程电源， 都可以实现恒压和恒流工作模式。这已经被实验室和工业界大量使用。在恒流工作模式中，通过调整电压来改变电流是无效的。 这是通过直接调整电流， 达到我们要求的输出值。 从表面上看， 尽管它们经常可以互换使用，但实际上，恒流模式与电流限制有着本质的区别。我看来看下面这张图， 从中回顾一下电源的恒压与恒流模式的输出特性。 图 1 ： 电源的 CC/CV 工作模式      在图 1 中，根据设定的电压（ Vset ），设定的电流（ Iset ） 和负载的不同， 一个 描述了五个工作点 ： 开路（ Open Circuit ）， 负载电阻为无穷大： 输出电流 Iout = 0 ， Vout = Vset 负载电阻 R L Vset/Iset 时： Iout = Vset/R L ， Vout = Vset 在以上这两个工作点，电源处于恒压（ CV ）工作状态，这是电源的输出电压就是设定电压。 负载电阻 R L = Vset/Iset 时： Iout = Iset ， Vout = Vset 在工作点 3 ，是 CC/CV 的工作交叉点， 电源在这个点上，可以进行 CV/CC 工作模式的瞬间切换。 负载电阻 R L Vset/Iset 时： Iout = Iset ， Vout = Iset*R L 短路 （ 负载电阻为零 ）： Iout = Iset ， Vout = 0 在这两个工作点，电源处于恒流（CC）工作状态，如果这个时候调整电压，电流将不发生变化。 一台具备CV/CC工作模式的高性能电源， 无论是作为电压源还是电流源使用，在各种模式下，都必须提供符合指标的性能。在 R l =Vset/Iset 这个交叉点上， 电源处于CV 和CC模式的转换状态。 对于高性能电源，CC 和CV能瞬间转换。但要注意的是，对于理想的直流电源 CV/CC 电源， 其 CV 斜率为零（水平方向），表示 CV 模式中输出电阻在零；而 CC 斜率为无穷大（垂直方向），表示 CC 模式中输出电阻为无穷大。如果每种工作模式的斜率越接近于理想状态的程度，那它们的负载调整率指标就更为出色， 输出也更将准确。 为使 CV 和 CC 模式都达到出色的性能， 就需要精心设计每种模式的控制环路，当然，根据我们的经验，这个控制环路的结构是非常复杂的。 恒压/ 限流 电源 （CV / Current Limit） 相比之下 ，性能比较差一些的程控电源或电压可调电源，   具备 恒压工作模式，也有电流限限制能力，可以作为电压源使用 ， 为能被测器件提供过流保护 ， 同时又能保护电源自身。这种电源，我们也称为 CV/CL电源。 但这种电源是无法作为恒流源来使用。图 2 描述了 CV/CL 电源的典型输出特征。 图 2 ： CC/CL 电源的工作模式           CV/CL 电源中的电流限制值可以是固定的最大值 ， 也可以设定。 CV 操作轨迹与图 1 中相同。但在电流限制值交叉点上，电压调整率有所下降，电压也开始下降。与 CV/CC 电源中的 CC 实际工作不同， CL 操作通常不包含明确定义的交叉点，并且不会对交叉点和短路点进行严格的调整。原因在于，相对于 CC 控制回路， CL 控制电路从本质上讲属于一种更为基础的电路。 CL 仅用于 过流保护 ，不同于 CC 操作 。为此，正确使用 CL 的方法是将它的电流值设为略高于被测器件所需电流的最大值。这可以确保在正常负载的整个量程内具有出色的电压调整率。更多的基础型台式电源具备 CV/CL 模式，但不能用作电流源。   参考 ： 安捷伦直流电源手册 ， 应用指南 AN-90B ， 部件编号 5952-4020