标签: 精密电源

在文章《 用电源精确测量电流 - 程控电源技术和应用（ 15 ） 》中，我们谈到了电源的测量能力。这里，我们将会探讨电源的精度技术指标，并介绍如何确定电源的电压精度，以及其它的电源精度计算方法。在电源的技术资料中，与电压精度相关的技术指标通常有 5 个，分别是：   1.   负载效应（负载调节率）：当负载发生变化时，由于电源内阻的分压作用，会导致电源输出电压也发生变化。当负载或电源电流后，电源的调整电路无法维持精准的输出电压，由此产生误差。   2.   源效应（输入电压调节率）：输入的交流电压产生变化，引起电源输出电压发生变化，从而出现误差。   3.   编程分辨率：在设置电源电平时，电压值通常用数字表示， 电源需要利用 D/A 转换器来转换这个输入值。 DAC 输出控制正确的输出电压。在 DAC 中始终会存在量化误差，也是编程分辨率。 DAC 特数越多，分辨率越高，量化误差就越小。   4.   编程精度：这个主要技术指标涉及到了上面提到的三个指标（负载效应、源效应和编程分辨率）以及系统误差，如放大器漂移等。   5.   编程温度系数误差：如果电源不在理想温度范围内工作，那么超出温度范围时，就会产生温度系数误差。       如上所述，在计算电源的输出精度时，我们只需要考虑编程精度技术指标。它涵盖了负载效应、源效应、编程分辨率以及编程温度系数误差。 编程温度系数误差仅限于电源不在理想温度范围内的情况。与其它仪器相同的是，电源必须经过 30 分钟预热才能计算其输出精度。下面是电源的输出精度计算过程：   误差 = ± （编程精度 + 温度系数（如果不在理想温度范围内））     我们现在来了解一下如何使用 Agilent N6700 系统中的 N6761A 精密直流电源模块进行计算。 N6761A 高性能电源具有极其精确的输出电压， 误差很小。下图源自 N6761A 的技术资料，显示了编程精度技术指标及其它技术指标。       经过 30 分钟预热后， N6761A 在 5 V （低范围）内工作，负载牵引电流为 4 A ，环境温度为 29 ℃ 。注意：在“编程精度”一行中，理想温度范围是 23 ℃ +/- 5 ℃ 。 但由于电源模块在 29 ℃ 上工作，比理想温度范围超出了一度，必须在计算过程中添加温度系数误差。 N6761A 在 5V 范围内的电压编程精度技术指标是 0.016% + 1.5 mV 。温度系数技术指标是 40 ppm + 70 uV 。让我们了解一下精度计算方法：   1.      编程精度 = 编程值 x 0.016% +1.5 mV ； 即 5x 0.00016 + 0.0015 = 2.3 mV 2.      温度系数是 1 度，因此， 1x(5x30e-6 + 40 uV) = 190 uV     因此，在 5 V 输出 时，误差 = ± ( 2.3 mV + 0.19 mV) = ± 2.49 mV      电源工作环境温度仅与理想温度范围偏差不大时， 系统能确保极高的精度。需要注意的是 , 当需要精确测量时，我们需要采用若干个工频周期的测量时间，例如利用 10 个电源工频周期 200 ms 来精确测量电源电平。如果仅快速采集电源电压的几个点， 我们会看到更多的噪声误差。 在上图中， N6761A 具有 4.5 mVpp 峰 - 峰值噪声和 0.35 mVrum 有效值噪声。如果我们利用差分放大器来放大，并使用示波器来观察， 我们就能看到电源电平上的噪声。如果对电源电平进行平均值测量，就能消除噪声。      在使用具有内置测量能力的高性能程控电源时，您应更关注测量精度，也称回读精度。测量精度误差技术指标可能并不完全相同与编程精度技术指标。   在精度计算中，通常是电源工作在恒压模式（ CV ）， 这也是最常见的电源工作模式。   如果电源工作在恒流模式（ CC ），将会发生什么情况？ 计算方法保持不变，只不过这是关注的是电流技术指标，而非电压技术指标。好的， 希望这些能对您的工作有所帮助。   观看优酷网上的安捷伦电源专家讲解有关电源精度的视频：      

    首先我们来看图1。这是从PC给电源发送指令开始，电源对指令进行处理，进而调整电压上升、稳定之后，进行测量过程，之后下降，再降回到V 0              图1：完成一个工作电压测试的全部过程      这种情况，几乎发生在任何的测试过程中。这就是我们给每个被测距上电的真实过程。整个过程中，除测量的时间外，电源变化的过程需要多长时间呢？在高性能电源中都有明确的指标。对于安捷伦N6700 模块化电源主机和N6752A 100W高性能电源模块，时间基本上是这样的：   1.    指令处理时间：1mS 2.    电压上升和稳定时间：0-50V， 1.4ms (纯电阻负载) 3.    电压下降时间：50-0V， 1.5ms (纯电阻负载)        这样下来，全被的时间在5ms 之内。但如果对于一个普通的可编程电源，这个指标是多少呢？基本上在50-200ms. 相差数十倍。很多市场上的可编程电源说明书中甚至找不到这样的指标。      快速编程能力是指高性能程控电源在处理收到的指令后，快速将输出电压达到设定值的能力，即电压的快速上编程能力（Fast Up-Programming），和电压的快速下编程能力（Fast Down-Programming）。由于电源内部有很多的储能元件和非常复杂的精密测量及控制系统，都会降低电压的变化速度。容性或感性的负载，也会使电压的变化速度大大降低。通常情况下，小功率线性电压要快一些，在纯阻性负载的情况下，从输出的10-90% 大约为10-20mS. 而开关电源则要慢一些, 可能要100mS 以上。市面上也有些特殊的电源，如双极型电源会更快，但由于其让人难以忍受的高噪声和过冲及不稳定性，应用领域非常特殊。       具有快速编程能力的电源会为很多测试工作带来好处。例如，在产品研发和验证过程中的电压拉偏实验、电源瞬变的仿真、以及模拟汽车电子测试中ISO16750标准中的电压变化模板等；在自动测试系统中， 更能提升测试的吞吐率。关于这部分应用，我将在下一篇文章中详细介绍。 程控电源的快速编程能力，是由电源内部的器件性能、回读速度和反馈回路的性能决定的。特别是快速下编程的更难实现。       普通的程控电源在电压下降过程中，主要是靠输出端的电容以及连接在一起的被测件缓慢地放电，这个过程往往需要数百毫秒，甚至更长。 如果仅仅把电源作为静态电压源，那就不是问题，但当在电压不断变化的情况下的测试时，例如一些汽车电子产品测试过程中，电压需要改变20-30次，这样缓慢的放电就等于缓慢和低效的测试。 在具备快速下编程能力的电源中， 都设计有主动放电电路， 数十倍提高放电速度，以迅速下拉输出电压。这就相当于正电压输出的时候，电源本身提供了一个强制的反向放电能力，也就是电源在二象限工作的能力。有时我们也称之为电源的“阱电流”能力。 如图1所示。   图 2 ：电源的两象限工作和阱电流      安捷伦的程控电源使用了两种快速下编程电路：在图3 中， FET 跨在输出端上。每当输出电压高于编程值， FET 就被激活而给输出电容器放电。 FET 的阱电流范围从电源额定输出电流的 10% 到 20% 。低压时的最大负载被限制为 FET 的开启电阻加串联的负载电阻，因此下编程电流在接近 0V 时性能会略有下降。        在图 4 中，下编程电路位于电源的正端和负端之间。这种设计可完全下拉输出，接近 0V 时的性能也不降低。有些电源，如 Agilent 662xA 和 663xB 系列电源的阱电流能等于额定的满度输出电流。而 663xB 系列的阱电流是可编程的，因此既能把该电源用作可编程电源，也能用作可编程负载，这对于电池充放电这类应用是非常有用的。  

   首先来看一下这个波形（图１）， 大约 120mV 的电压跌落，持续时间约为 30uS 。这是一个高性能的程控电源的输出，当负载电流猛然增大时，输出电压瞬间的变化情况。 　　　 图 1 ：负载电流从 1mA 跳变到 500mA 时，输出电压的变化       这是任何电源都存在的问题。当负载吸收电流发生跳变的瞬间，就会造成电源输出端的电压瞬间偏离设定值。 这个示波器屏幕的截图（图 1 ），就是当我的一个电源的负载电流，从 1mA 瞬间变化到 500mA 时， 输出电压经历了约 30uS 瞬间变化。   电源的这个特性，就是我们通常所称的负载瞬态恢复时间，或者瞬态响应时间。它表征的是，当负载电流发生突然变化的时候，电源电压恢复到设定范围内所需要的时间。如图 2 所示：     　 图2：负载电流突然变化，造成电源电压出现瞬态响应   在表征电源的瞬态响应， 我们会考虑 3 点：   负载的幅度变化，例如，负载从全负载的 50% ， 跳变到 100% 负载。对于最大 10A 输出电流的电源，就是负载的电流从 5A 跳变到了 10A 。   电源从开始变化开始，恢复到负载改变前设定电压的一定范围之内。需要注意的是，由于负载的改变和电源的负载效应双重影响，电源电压不可能回到负载改变前的值。这样，我们就会规范一个范围，例如恢复到负载改变前电压的 ± 20mV 之内，或 ± 0.1% 之内。   瞬态响应时间就是电压恢复指定电源范围内需要的时间值。     不同的电源就有不同的瞬态响应时间。例如，安捷伦 N6705 直流电源分析仪中所用的高性能模块 N6751A 和精密模块 N6761A ， 在指标中标为： 当负载从 60% 跳变到 100% ， 或者从 100% 跳变到 60% 时， 电压恢复到设定值的 ± 75 mV   瞬态响应时间： 100 μs      瞬态电压特性是电源本身固有的特性。 电源内部有很多的储能元件，电压的调整需要从输出回读、比较标准电压、调整开关占空比等一系列过程。提高控制回路的速度，可以提供更短的瞬态响应时间。 但有可能造成输出非常不稳定，甚至出现振荡，就像我在图 2 中所示的。因此，具备快速瞬态响应能力的电源，通常为了保证输出质量，就必须采用一些更为先进的技术，从而提升了成本和价格。       如果电压瞬态响应能力较差，导致电压跌落 / 过冲时间过长，幅度过大，直接会造成很多问题。 特别是对于不停快速变化的负载，如手机、 Wifi 、无线传感器等这些无线通信的设备和器件， 其变化速度可能已经超过电源的瞬态响应能力，就会使电源电压无法达到其设定值，甚至还会造成被测件的自动关机或重复启动。这会让测量无法正常进行。因此，如果有这种应用，就必须考虑采用一个更快响应能力的电源。       瞬态电压过冲或跌落幅度通常不被表怔 , 这是 由于该参数很大程度上取决与负载的特性。 通常情况下，这个值会小于 1V 。但市面上有些电源的瞬态响应时间过长，如果处理不好，在负载、电源及导线共同影响下 , 过冲电压可能会达到 1-4V 。     关于如何 减小瞬态电压变化幅度，以确保被测件的正常工作和精确的测量，请看下一篇。     程控电源技术和应用指南（10）- 瞬态响应（下篇）          

    为了减小瞬态电压变化幅度，一个常用的做法是在电路中并联一个大电容，如图3所示。           图 3 ：在电路中并联电容的方法           在加入电容后，对提升电路的瞬态响应能力，往往会起到比较明显的效果。如图 4 所示的，我们在用一个通用电源测量 GSM 手机脉冲电流，在没有并联电容的时候，瞬间电源跌落会达到 0.6V （见图 4 左） . 对于一个工作在 3.8V 的手机来说，这样大的电源跌落足以造成手机自动关机。当我们并联了一个 2000uF 的电容后，电源跌落降到了 0.2V 以下，得到明显改善，见图 4 右所示。     图4：用一个通用电源给GSM手机供电，在电路中加入电容效果比较     但并联电容的方法会带来以下负面的影响，主要有： 使自动测试系统的速度下降   降低电流的测量精度   占用测试夹具的内部空间   影响开关的寿命     因此，如果我们的被测件有类似的负载特性，必须要考虑使用具备高速电压瞬态响应能力的电源。例如安捷伦 N6780 系列电源模块。如表1 所示，其负载在 10-90% 范围内变化时，其瞬变时间小于 35uS, 而电压的跌落也可控制在 40mV 之内。       在图 5 中， 就是利用 N6781A 电源模块启用了电池内阻仿真后，给同样的 GSM 手机供电。     图 5:   N6781A 设置了 150 毫欧的电池内阻仿真     在图 5 中，我们可以看到 N6781A 电池内阻仿真，是电流在高点时，仿真出了电池的负载效应。 在没有并联电容的情况下，由于电源本身的快速电压瞬态响应能力，在测试过程中并没有看到明显的瞬间电压跌落或脉冲。   因此，如果您的被测件负载是一个动态的负载，在测量过程中， 由于负载电流的瞬变， 会造成负载端电压的不稳定，这是就考虑为其供电的电源具备快速瞬态响应能力， 快速补偿可能出现的瞬间跌落和脉冲，以确保测试工作的顺利进行。     关于这个部分，您可以收看相关视频：精密仿真电池特性 http://v.youku.com/v_show/id_XMzk4NDgzMjky.html?f=17066502    

   很多的测量工作，是利用程控直流电源为被测件供电，完成整个测试过程。 在设定的电压点进行测量时，我们希望供电电压是非常稳定和准确的。但实际上，会有一些因素，造成供电电压的不稳定。这就包括电源的负载效应和源效应：   电源的负载效应     以前我们谈过，理想的电压源其内阻为零，这样，输出的电压会全部加在被测件上。 但实际上，每个电源或多或少都有些内阻存在。这样，当负载电流发生变化时， 由于内阻的分压作用， 会对输出电压有一定的影响， 这就是我们通常所称的负载效应。 在安捷伦的程控电源中， 负载效应通常是最大输出电压的万分之一。例如，最大输出电压在 20V 的，负载效应通常在 1-2mV 。对于最高 600V 的输出，这个值在 60mV 。     以下视频演示了如何测量电源的负载效应 http://v.youku.com/v_show/id_XNDI5NjI1MjQ0.html?f=17488112       电源的源效应        是指电源输入的线电压变化对输出电压的影响。在电源的输入电压工作范围内，这个值也很小，安捷伦电源的源效应通常也在 1-2mV 。即使对于具备通用线电源输入的型号，例如 N5700 和 N8700 系列，允许的输人电压范围在 85-265VAC, 而源效应也很低。对于 600V 的输出型号，源效应为 62mV, 也在万分之一的量级。