标签: 大功率程控电源

上篇文章中我们谈到了自动量程电源的众多优势，特别是相比于传统电源，它具备更大的工作范围，从而带来了无以伦比的灵活性。在这篇文章中，我们将以安捷伦最新的 N8900 系列大功率自动量程电源为例，更详细地来说明。 N8900 系列产品是非常最令人激动的 ， 它是我们有史以来推出的功率最大的电源产品。一共 14 个型号，功率分别是 5KW 、 10KW 和 15 kW ， 而且通过并联可以达到 100 kW 以上的 功率！其卓越性无与伦比 ! 以前的 10 kW 程控电源的 体积非常庞大 ，以我们 30 年前的产品 HP SCR-10 为例，其 重量超过 500 磅 （ 227 千克 ）！而 我们新推出的 N8900 系列中的 15KW 型号， 产品功率 增加 50% ，但 体积 减小 80% （ 3 U : 16 U ）， 重量 减轻了 85% （ 73 磅 : 500 磅 ） 。参见下图。        最新 N8900 系列提供了 14 种不同的电压、电流和功率组合 ， 输出电压高达 1500 V ， 输出电流高达 510 A 。这些都是具有自动量程输出的电源，其输出电压和电流构成的工作范围，要 数倍于普通电源的工作范围，也就是说，一台这种电源的工作能力，可能要相当于几台传统电源的工作能力。 参见下图。   在这张图中，我以 15KW 的电源型号为例。其最高电压 1500V ， 最大电流 30A 。 如果我们将这两个值相乘，那就是 45KW 。换句话说，这个 15KW 电源的工作范围，已经接近一个 45KW 普通电源的 65% ！如果利用传统的 15KW 的电源，需要达到相似的工作范围，可能至少需要 3 台。 即： 1500V/10A ， 500V/30A, 750V/20A. 显而易见，这种大功率自动量程的电源是一款多合一的电源，其优势非常明显。同时，这系列电源配置了包括 GPIB ， LAN （ LXI Core ）和 USB 接口，支持包括 SCPI 指令、 C ， C++ ， VB ， VC ， Labview 等工业标准的编程手段，让系统开发变得非常简单方便。   这种大功率的电源应用非常广泛广泛 ， 例如混合动力汽车测试和光伏逆变器测试。因此如果您需要基础型大功率电源， Agilent N8900 系列是最好的选择。 观看产品视频： http://v.youku.com/v_show/id_XNjEzOTQ2NjU2.html?f=20013609  

在英文中 ， 自动量程程控电源被称为 “ Programmable Auto-Range Power Supply ” , 它能提供远高于普通程控电源的工作范围。但提供这类型电源的厂家并不多，据估算 ，在 市面上具备这种能力的电源种类还不到 10% 。为了确定您的电压是否具备这种能力，只需查看它的最大额定电压、电流和输出功率。如果最大电压与最大电流乘积值大于最大功率 ， 那么您的电源应该就是自动量程的。   图 1 显示了普通的、非自动量程电源的输出特征。由于额定输出电压和电流组成的图形形似一个矩形，因而它被称为“矩形”输出电源。电源能够在电压和电流限制范围内的随意点工作。只需查看额定数值，即可确定您的电源能否满足您的供电需求：如果您的适用电压低于额定电压，适用电流低于额定电流，那么您的电源能够满足您的需求。尽管电源具备特定的最大功率，但只有同时用到其最大额定电压和最大额定电流时，才会用到电源的最大输出功率。   自动量程电源   图 2 显示了自动量程电源的输出特征。图中的这个曲线是电压与电流乘积值等于最大功率时的点构成。在曲线末端，仍然存在电压和电流的限制。在图 2 表征的自动量程电源曲线中， 最大电压 （ 称为 V1 ） 是 50 V ， 电源功率是 100 W ， 由此可得到 2A 的电流。但它也可得到 10A 的 最大电流 ， 此时最大电压将是 10V （ 称为 V 2 ） 。 V 1 /V 2 的比值是 5 ， 因而这个是 5:1 的自动 量程电源。这个比值越高，电源的灵活性也会越高，可在更宽泛的量程内工作。市面上的典型的量程电源在 2:1 至 5:1 之间。     图 2 ：自动量程电源的输出特征。 V1 表示最大电压， I1 表示对应的电流，由此， I1 = 最大功率 /V1 。 I2 表示最大电流， V2 表示对应的电压，由此， V2= 最大功率 /I2 。在曲线中，可用电压和电流受限于最大功率。图中所示电源特性是 50V 、 10A 、 100W ， 5:1 的 自动量程电源。 自动量程电源的缺点   相比于普通的“矩形”输出的电源，自动量程电源具有 2-5 倍的输出范围和灵活性。但其缺点就是在精度方面可能不尽人如意。考虑到更宽的电压和电流范围，内置测量系统也需要在很大的量程范围内工作。在前例中 ， 测量系统的量程必须设定为 50V 和 10A ， 即便这只是一个 100W 电源。 扩展测量系统的工作量程范围意味着引入额外的测量不准确性，尤其是在低电压和小电流输出的时候。   从价格上来看，自动量程电源比同等“矩形”电源价格高 20-30% 。自动量程电源需要通过额外的控制环路使输出功率处于电源的功率包络要求内；其次，选用的元器件必须满足最高电压和最大电流的要求，这类最大值条件可能在功率元器件的某个点上出现，但不会同时出现；最后，为了在宽泛的工作范围内实现最佳测量精度，必须使用成本更高的测量系统。这些都推高了自动量程电源的成本。   自动量程电源与“矩形”电源：是否有一方胜出？   由于自动量程电源有更宽泛的工作范围，因而它能够替代几个额定值相同的“矩形”输出电源。图 3a 显示了需要多个 100W “矩形”输出电源来匹配单台 100W 、 5:1 自动 量程电源的输出范围。另一种方法是使用更高功率的“矩形”输出电源。图 3b 显示了 500W “ 矩形”输出电源， 它提供与 100W 5:1 自动 量程电源相近的工作范围。可以看出， 100 W 自动 量程电源具备出色的灵活性。 当然，更高功率的“矩形”输出电源也是一个不错的选择。在实际工作中，要确定选择哪一款电源，您还需要对比两者的成本和物理尺寸。   图 3 ：图 3a 对比了一个 100W 自动量程电源和多个 100W “矩形”输出电源的输出范围。为了覆盖相同的自动量程电源输出电压和电流范围，需要使用多个“矩形”输出电源，这样做就会增加成本并占据更多的机架空间。图 3b 对比了 500W 矩形输出电源和 100W 自动量程电源。 500W “矩形”电源的尺寸更大、价格更高，但它能够覆盖 100W 自动量程电源的全部工作范围， 而且提供更大的功率，但也意味着成本更高和尺寸更大。 何时选择自动量程电源   如果您测试中使用的电源电压范围很有限，例如替代锂电池为一部手机供电 ， 它的工作电压在 4.2V 和 2.8V 之间 ， 非常狭窄 。 非常明显，在这里 自动量程电源的宽范围工作特性就会是大材小用。   相反，如果您的测试需要宽泛的工作范围，那么具备更高灵活性和更小体积的自动量程电源就成为了不错的选择。这会节省成本和机架空间。如果您需要开发一套更为灵活的自动测试系统，自动量程电源就可以帮助您获得更高的灵活性。例如，一个研发团队要测试一系列的车载 DC/DC 转换器 ，要求测试电压的范围在 5-50V 之间，而功率在 100W 以内。这样，一台 100W 的自动量程电源就可能 满足整个产品系列的输入要求。当然，如果此时自动量程电源的精度无法满足测试需求的时候，设计者可以在系统中添加了自己的外部测量系统。  

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