标签: 电源精度

    如果时光回到几十年前，为了确保程控电源准确的输出你期望的电压，通常需要一边使用电源面板上的“旋转按钮”不断调节，一边观察万用表的“显示值”，或许当你使用一些非常低端的程控电源依然需要这样操作。现在的大部分中、高端程控电源都具有非常准确的输出精度及测量精度，本文章主要讨论哪些因素会影响或决定电源的输出精度，以及如何计算电源的精度。           对于直流电源的电压输出精度，规格书上有 5 个与之相关的指标，这些指标包括： Ø   负载效应 （负载调整率）：连接到电源上的负载变化导致电源输出电压的变化量。负载效应导致的输出误差是由于在负载或者输出电流变化时，电源的调整电路不能够保持其输出电压完全不产生任何变动。 Ø   源效应 （源调整率）： 直流电源的输入交流电变化导致电源输出电压的变化量。如电源在 110V 或 220V ， 50Hz 或 60Hz 等不同交流供电条件下，电源的调整电路也会导致输出电压的变动。 Ø   编程分辨率 ：设定电源的电压时，首先通过数模转换电路 DAC 将设定值转换为对应的模拟控制电压，并与电源内部参考电压进行比较和调节。然后，数模转换电路 DAC 存在一个量化误差，而且量化误差的大小与 DAC 的位数决定（ DAC 位数越多，量化误差越小）。 Ø   编程精度 ： 这是直流电源的关键指标之一，通常包括以上三个指标的影响（负载效应、源效应和编程分辨率），用于表示输出值与设定值的误差范围。 Ø   编程温度系数 ：编程精度描述的是在室温环境下电源输出的偏差，如果电源工作在非室温环境下，电源的输出精度也会产生变化。温度系数用于描述工作环境每一摄氏度变化时电源的输出精度变化量。        如上所述，在我们计算电源输出的误差时只需要查看规格书中的编程精度，因为编程精度已经包括负载效应、源效应和编程分辨率。当然如果电源工作温度超出室温环境，还需要计算温度系数的影响，而且大部分的仪器设备的输出精度指标都是在热机 30 分钟后达到的。因此，直流电源的输出精度计算公式如下：     输出误差 +/- = 编程精度 + 温度系数 x 温度差（如果非室温环境）         安捷伦直流电源的编程精度指标通常分为两个部分：固定的静态误差（如 4mV ）和 相对于设定值的百分比，下面我们来看一个实际的例子。 N6761A 是 N6700 多通道模块化电源系列的精密直流电源模块， N6761A 具有非常优异的性能指标，包括极高的电压编程精度。下表就是摘自 N6761A 规格书与编程精度相关部分的内容。           假设我们设定 N6761A 给一个 5V ， 1A 的被测件供电，此时的工作温度为 29 °C ，那 N6761A 输出的电压误差范围是多少呢？      从规格书中我们查到： 1.   N6761A 的低量程为 5.5V ， 5V 输出选择该量程，此时编程精度指标为： 0.016% + 1.5mV ； 2.   规格书上的编程精度指标对应环境温度要求是 23 +/- 5 °C ，目前的 29°C 超出 1 摄氏度，因此需要进行温度误差计算， 5.5V 量程对应温度系数为： 40ppm + 70uV 。          按照公式，此时 N6761A 的输出总误差范围是：      @ 5 V 输出误差范围 +/- = 5.0V x 0.016% + 0.0015 + 1.0 x (5.0V x 40 x 10e-6 + 70uV) = 2.57mV        在这种温度稍微超过理想的室温条件下， 2.57mV 对于 5V 电压输出来说是非常优异的性能！             有一点值得提醒的是上述公式计算的精度是在一定时间内平均的结果，譬如 10 个交流供电周期或 166.7ms 。假如我们观察某些瞬态时间点输出电压值，可能会看到有些值会超出以上计算的编程精度范围。这个现象是非常正常的，直流电源的另外一个关键指标——输出纹波和噪声 PARD 定义的就是这种瞬态电压波动的特性。从以上 N6761A 的规格书中，我们可以看到 N6761A 的 PARD 有两个参数， 4.5mVpp （峰峰值）和 0.35mVrms （均方根值）。如果使用足够高分辨率的示波器，或许你可以测量到一些直流电源的纹波和噪声 PARD 值，但对于象 N6761A 这样的精密电源，估计需要一些特殊的测试方法才能精确的测试出其 PARD ，这个在我之前的文章中有提到： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3017013.HTM 。在输出精度测试时，由于采用了平均值，所以纹波和噪声的影响几乎可以忽略。            另外，现在的很多直流电源也内置了电压或电流的测量功能，需要注意的是电源的测试精度和编程精度并不是一回事。一般电源的规格书中会单独将电压和电流的测量精度列出，如下表就是 N6761A 的编程精度和测量精度的指标。

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：