如何正確理解線(xiàn)性電源指標

乍一看，可變直流電源設備似乎很簡(jiǎn)單。但它是一種極為復雜、準確而且耐用的高負荷電子設備。無(wú)論是阻性、感性、容性、低阻抗、高阻抗、穩態(tài)還是可變負載，電源設備都必須可靠地提供穩定、精密和清潔的電壓和電流。工程師在應用中如要選擇適合的電源，需要透徹理解電源指標。下面簡(jiǎn)要介紹線(xiàn)性電源指標。

線(xiàn)性電源非常耐用、準確并能提供低噪聲功率。它們簡(jiǎn)單、直接的反饋機制提供了優(yōu)秀的負載調整率和整體穩定性。圖1示出了線(xiàn)性電源的簡(jiǎn)化框圖。

圖1 可編程線(xiàn)性電源的簡(jiǎn)化框圖

線(xiàn)性電源指標線(xiàn)性電源有很多指標，但可以從邏輯上劃分為三類(lèi)：準確度和分辨率、穩定性以及交流特性。我們將分別介紹屬于這三類(lèi)的重要指標。

大多數直流電源有兩種工作模式。在恒壓(CV)模式下，電源會(huì )根據用戶(hù)設置調節輸出電壓。在恒流(CC)模式下，電源將調節電流。電源是CV模式還是CC模式不僅取決于用戶(hù)設置還取決于負載電阻。在CV模式和CC模式下，電源適用不同的指標。

準確度和分辨率

在任意給定時(shí)間上，電源調節電壓或電流并在儀器準確度范圍內使電壓或電流與設置相匹配。

● 在CV模式下，在儀器準確度指標范圍內輸出電壓匹配電壓設置。電流由負載阻抗決定。

● 在CC模式下，輸出電流匹配電流極限設置。電壓由負載阻抗決定。

歷史上，直流電源用戶(hù)使用電位計設置輸出電壓或電流。今天，微處理器從用戶(hù)接口或遠端接口接收輸入。數模轉換器(DAC)接收數字設置，將其轉換為模擬值并用作模擬調節器的參考。設置分辨率和準確度的值由轉換質(zhì)量和調節過(guò)程決定。

電壓和電流設置(有時(shí)稱(chēng)為極限或設置值)分別有與之相關(guān)的分辨率和準確度指標。這些設置的分辨率決定了輸出可調的最小增量，準確度描述了輸出值符合國際標準的程度。應當分別考慮設置和回讀指標?；刈x準確度好并不一定就意味著(zhù)設置準確度好。

大多數直流電源提供內置儀表測量電壓和電流。這些儀表測量電源輸出提供的電壓和電流。由于儀表讀取返回至電源的電壓和電流，所以?xún)x表測量值通常稱(chēng)為回讀值。大多數專(zhuān)業(yè)電源包含了使用模數轉換器的數字儀表并且這些內部?jì)x器指標類(lèi)似于數字萬(wàn)用表指標。電源在前面板顯示儀表值并通過(guò)其遠程接口(如果配置了)發(fā)送儀表值。

設置準確度設置準確度決定了調節參數與國際標準定義理論值的接近程度。電源輸出不確定度主要由DAC誤差項(包括量化誤差)決定。通過(guò)連至電源輸出端的可追蹤、精密測量系統測量調節變量進(jìn)而測試設置準確度。設置準確度為：±(設置值的% + 偏移量)

例如，吉時(shí)利2200-32-3電源的電壓設置準確度指標為±(0.03% + 3mV)。因此，當設置輸出5V時(shí)，輸出值不確定度為5V(0.0003 + 3mV)，或4.5mV.電流設置準確度也類(lèi)似地規定和計算。

設置分辨率

設置分辨率是電源上電壓或電流的最小設置變化量選項。有時(shí)，此參數稱(chēng)為編程分辨率。分辨率指標限制了可設置的離散電平數。通常，離散電平數由用戶(hù)接口位數和DAC位數共同決定。更多位數的DAC能更精細地控制其輸出并能提供更分明的環(huán)路控制參考值。但是，失調和增益誤差校正會(huì )使分辨率低于DAC提供的位數。

用單步設置修改分辨率不一定總會(huì )使輸出相應改變。但是，設置準確度指標管理著(zhù)設置與輸出的關(guān)系，并應在此容許范圍內校準儀器。設置分辨率可以用絕對單位值或滿(mǎn)量程百分數表示。例如，吉時(shí)利2200-32-3的電壓設置分辨率為1mV,電流設置分辨率為0.1mA.

回讀準確度

回讀準確度有時(shí)也稱(chēng)為儀表準確度。它決定了內部測量值與輸出電壓理論值的接近程度(在啟用設置準確度之后)。像數字萬(wàn)用表那樣，使用追溯性的參考標準測試回讀準確度?；刈x準確度表示為：±(測量值的% + 偏移量)

回讀分辨率

回讀分辨率是電源內部測量的輸出電壓或電流的可分辨最小變化量?；刈x分辨率通常用絕對值表示，也可以用滿(mǎn)量程的百分數表示。例如，吉時(shí)利2200-32-3的電壓回讀分辨率為1mV,電流設置分辨率為0.1mA.見(jiàn)圖2.

圖2 上方顯示的最低有效位對應于吉時(shí)利2200系列儀器的1mV和0.1mA回讀分辨率。下方顯示的最低有效位對應于設置分辨率

使用遠端感測提高電壓準確度

電源與被測器件(DUT)之間承載電流引起的電纜壓降意味著(zhù)DUT電壓低于電源輸出端電壓。在任意電源條件下，使用較大尺寸線(xiàn)纜能降低測試線(xiàn)壓降。保持電纜盡量短也有幫助。如果電源配備了遠端感測能力，使用4線(xiàn)連接能確保電源的設置電壓即為在DUT上得到的電壓。

用4線(xiàn)連接電源與DUT,一組測試線(xiàn)傳送輸出電流，另一組測試線(xiàn)被電源用于在DUT端直接測量電壓，如圖3所示。電源內部感測線(xiàn)連接至高阻抗電表電路;因此，測試線(xiàn)電流接近于零，基本上消除了測試線(xiàn)壓降。通過(guò)增大輸出電壓來(lái)補償傳送電流至DUT的源測試線(xiàn)壓降，電源維持了感測線(xiàn)上的預計輸出電壓。

圖3 遠端感測通過(guò)分隔源電流與感測電路消除了測試線(xiàn)電阻效應，源調節可以保持負載兩端的規定電壓

穩定性指標

穩定性指標描述了電源對變化的響應。幾個(gè)指標表明了儀器在短期內提供穩定輸出的能力。這部分討論了在改變負載、交流線(xiàn)電壓和溫度條件下描述輸出穩定性的指標。

長(cháng)期來(lái)看，電源由于老化，其性能不可避免地降低。通過(guò)定期驗證和儀器校準可以管理長(cháng)期穩定性問(wèn)題。吉時(shí)利電源的校準周期為一年。

溫度穩定性

上文討論的準確度通常規定在25°C左右的特定溫度范圍內有效。典型溫度范圍是20°C~30°C(68°F~86°F)。如果在溫度穩定的實(shí)驗室環(huán)境下使用電源，輸出端溫度效應會(huì )很小。另一方面，如果是工業(yè)環(huán)境或現場(chǎng)安裝，溫度可能與室溫相差很多，所以確定準確度時(shí)考慮溫度非常重要。隨著(zhù)環(huán)境溫度偏離室溫，輸出端不確定度將增大。

負載調整率(電壓和電流)

負載調整率是測量負載變化時(shí)輸出通道保持穩定的能力。參見(jiàn)圖4.隨著(zhù)DUT阻抗變化，調節參數不會(huì )顯著(zhù)變化。當然，如果負載變化太大，調節參數可能在電壓和電流之間變化，這取決于未調節參數的極限設置。假設電源未達到此交點(diǎn)，用作電壓源時(shí)會(huì )保持較低的輸出阻抗;用作電流源時(shí)會(huì )保持較高的輸出阻抗。

負載調整率可以用幾種方法規定。例如，電壓調整率可以表示為每安培電流的電壓變化。但是，包括吉時(shí)利在內的大多數電源制造商將負載調整率解釋為在非調節參數出現顯著(zhù)變化時(shí)的輸出準確度。這種熟悉的格式方便理解并且便于通過(guò)測試驗證：±(設置值的% + 偏移量)

吉時(shí)利負載調整率指標通過(guò)設為全量程輸出的調節變量驗證。非調節變量可以在0~98%變化，并對照相應指標檢查輸出。以吉時(shí)利2200-32-3電源為例，輸出電壓負載調整率指標為所選輸出電壓的±0.01%加2mV,所以在全額定輸出為32V時(shí)，即便負載電流從零到變至略低于3A(儀器的最大額定電流)時(shí)，輸出仍將保持在±5.2mV以?xún)?。CC模式的負載調整率定義類(lèi)似于CV模式的線(xiàn)路調整率。電流負載調整率描述了電源輸出電流對負載阻抗階躍變化的響應。

線(xiàn)路調整率(電壓和電流)

線(xiàn)路調整率測量在交流輸入電壓和頻率在整個(gè)允許范圍內變化條件下，電源保持其輸出電壓或輸出電流穩定的能力。尤其在最大電源電流的情況下，線(xiàn)電壓和頻率會(huì )極大地影響提供至輸出端的功率。

在實(shí)驗室條件下用穩定的交流線(xiàn)電壓測試一小段時(shí)間可以忽略線(xiàn)路調整率。但是，如果在工作環(huán)境下交流線(xiàn)電壓容易受擾動(dòng)或在較長(cháng)時(shí)間內進(jìn)行測試，那么線(xiàn)路調整率是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。

電壓線(xiàn)路調整率可以規定為直流輸出電壓變化量與交流線(xiàn)電壓(有效值)和頻率變化量的比值。然而，為了與大多數測試設備指標保持一致，制造商通常將線(xiàn)路調整率表示為輸出相對于全量程的有效交流線(xiàn)路參數的不確定性。這里給出了最差情況并定義為：±(設置值的% + 偏移量)

例如，吉時(shí)利2200-32-3電源的電壓線(xiàn)路調整度率指標為±(0.01% + 1mV)。因此，當2200-32-3設為32VDC輸出時(shí)，即使交流源電壓在整個(gè)允許范圍內變化，輸出都將保持在32V(0.01% + 1mV)= 4.2mV.如圖4所示。

電流負載調整率是一個(gè)類(lèi)似的指標。除了說(shuō)明輸出隨交流源變化的電壓容許變化量以外，電流負載調整率還說(shuō)明了隨交流源變化的電流容許變化量。通常，該指標在交流源電壓和頻率的整個(gè)范圍內都有效。

圖4 示波器屏幕顯示了當負載電流從0A變至2.8A時(shí)，吉時(shí)利2200-32-3的輸出電壓調節。在整個(gè)變化過(guò)程中，輸出電壓保持穩定

交流特性

雖然我們在討論直流電源，但是這些電源的輸出并不是純直流。輸出會(huì )有一些交流成分。對于某些應用而言，輸出中較大的交流成分會(huì )對電路產(chǎn)生意想不到的影響，所以有助于了解殘余交流成分的幅度。除了交流噪聲以外，了解電源對負載和設置改變的瞬態(tài)響應也非常有幫助。例如，在自動(dòng)測試中，重要的是了解電源在設置改變后需要多長(cháng)時(shí)間才能穩定。

紋波和噪聲指標

直流電源輸出的交流雜散成分被稱(chēng)為紋波和噪聲，或稱(chēng)作周期和隨機偏差(PARD)。這些術(shù)語(yǔ)通常能互換使用。紋波指輸出中的交流周期信號。在頻域觀(guān)察時(shí)，紋波顯示為雜散響應。與周期性紋波不同，噪聲是隨機的。噪聲分布在很寬的頻譜上而且用頻域查看時(shí)，噪聲顯示為基線(xiàn)升高。參見(jiàn)圖5和圖6.由于紋波和噪聲通?；旌显谝黄鸩灰讌^別開(kāi)，所以在本文中我們將用縮略詞PARD指這種組合效果。

PARD指標必須規定帶寬并且應當對電流和電壓都進(jìn)行說(shuō)明。當電源在CC模式時(shí)，電流PARD非常重要并且通常用有效值定義。由于PARD的形狀未確定，電壓PARD通常表示為有效值電壓即噪聲功率，也可以表示為峰峰值電壓，后者在驅動(dòng)高阻抗負載時(shí)非常重要。因為考慮到帶寬，PARD指標很大程度上取決于測試技術(shù)。通常，可以在制造商的性能驗證程序中找到檢查PARD的程序。在證驗紋波和噪聲指標時(shí)考慮整個(gè)信號通路非常重要。例如，使用寬帶示波器和窄帶探針可以使指標優(yōu)于應有水平。吉時(shí)利2200-32-3的電壓PARD指標說(shuō)明了這一點(diǎn)。在20Hz至7MHz帶寬范圍內，電壓PARD指標為1mV有效值和4mV峰峰值，而且給出了在20Hz至20MHz更寬頻率范圍內的寬帶指標為3mV有效值和20mV峰峰值。

瞬態(tài)響應

另一組交流特性描述了電源對于變化的響應速度。瞬態(tài)響應指標說(shuō)明了當負載或設置改變后輸出變?yōu)榉€定直流的速度。大多數電源輸出端并聯(lián)了大電容以便提供清潔、穩定的直流。當此電容與負載電阻并聯(lián)時(shí)，得出一個(gè)時(shí)間常數并且時(shí)間常數大小會(huì )隨負載阻抗變化。由于與負載電阻緊密相關(guān)，所以設置變化的響應必須針對具體負載規定。常見(jiàn)指標中包括開(kāi)路、短路或具體電阻值等負載。

瞬態(tài)響應的測試需要對負載阻抗和電源設置施加較大的階躍變化，并測量穩定至最終值的時(shí)間(如表1)。吉時(shí)利全部2200系列電源的電壓瞬態(tài)響應都給出了三個(gè)條件：增大負載，提高設置和降低設置。

圖5 此簡(jiǎn)化示意圖說(shuō)明了周期(紋波)和隨機(噪聲)失真的概念

圖6 使用1X探頭和約7MHz帶寬測量噪聲的同時(shí)電源提供全額定電流

表1 吉時(shí)利2200-32-3電源的電壓瞬態(tài)響應指標

穩定至最終值的75mV以?xún)鹊臅r(shí)間

負載從0.1A變至1A400μs

設置從1V變至11V，10Ω負載35ms

設置從11V變至1V，10Ω負載35ms

準確的測量結果需要準確的電源

為了確保測試結果的準確性和可重復性，必須擁有能將功率準確送至DUT的電源。如果電源準確度和穩定性不能滿(mǎn)足需要，測量結果就會(huì )受DUT的性能以及電源性能的影響。溫度漂移、負載突變和交流線(xiàn)電壓波動(dòng)僅僅是帶來(lái)麻煩的部分原因。專(zhuān)門(mén)為應對這些變化并且為了持續、準確地提供規定電壓或電流而設計的準確電源將讓工程師對測試結果充滿(mǎn)信心。

確保電源質(zhì)量達到指標要求

為了對電源的設計和制造達到相應的質(zhì)量水平充滿(mǎn)信心，請從制造商那里獲取支持其發(fā)布的指標的詳盡說(shuō)明。例如，制造商應當使用按公認的主要標準實(shí)驗室的標準校準的測試儀器。而且，查找由國際公認機構的安全認證，例如CSA、UL或VDE.也就是說(shuō)，電源制造商已經(jīng)獲得了符合國際安全標準的獨立認定。

定期檢驗性能對于確保電源工作在制造商規定的指標范圍內非常重要。吉時(shí)利電源的建議校準周期為一年?？梢栽诿颗_儀器電源的附帶文件中找到性能指標的詳細說(shuō)明以及性能驗證程序。大多數指標的測試作為制造過(guò)程的一部分以及例行維護過(guò)程中性能驗證的一部分。對于每一臺電源，吉時(shí)利都采用追溯性的標準驗證并提供可選的質(zhì)量測試數據。