怎樣為自動化測試系統(tǒng)選擇合適的直流電源

　　用于測試電路板、模塊或設(shè)備的每個自動化測試系統(tǒng)都需要一個或多個直流電源，用于給待測設(shè)備提供電源并提供測試激勵。在有些情況下，電源不僅要向待測設(shè)備提供電源，而且要通過模擬工作環(huán)境提供測試激勵源。舉例來說，雖然大多數(shù)汽車電子設(shè)備工作在標稱12VDC,但最大輸入電壓可能高達27VDC.正因為如此，一些汽車標準要求對12VDC器件進行高達27VDC的極限測試。諸如此類的必要性決定了電源要求。下面讓我們看看在為自動化測試系統(tǒng)選擇電源時需要考慮的常用電源規(guī)范有哪些?

　　線性電源還是開關(guān)電源?

　　在購買直流電源時首先要做出的決定是選擇線性電源還是開關(guān)電源。線性電源具有較低的紋波和噪聲，并且具有快速的瞬態(tài)行為。但它們效率低，會產(chǎn)生大量熱量，而且很重。因此大多數(shù)工程師發(fā)現(xiàn)只是在較低輸出功率電平(一般500W以下)時比較合意。大多數(shù)線性直流電源是臺式電源。

　　圖1:基本線性電源。

　　對線性臺式電源來說，一個非常適合的應用是測試通信設(shè)備，比如無線電或移動電話或雷達系統(tǒng)的解調(diào)模塊。這些設(shè)備具有非常靈敏的鑒頻器或解調(diào)器電路，這些電路在低噪聲系數(shù)下才能發(fā)揮理想的性能。為了測試這些單元的真實性能，我們需要確保直流電源不會給測試裝置增加任何寄生噪聲。由于線性電源具有比開關(guān)電源更低的輸出紋波和噪聲，因此它們是這類應用的較好選擇。

　　當功率要求較低時，線性電源也是個很好的選擇。開關(guān)電源的主要好處只能在較高輸出功率電平才能表現(xiàn)出來。因此，在每個直流輸出通道的功率要求不超過100W至200W的應用中使用線性直流電源比較劃算。

　　從這一點來看，考慮系統(tǒng)中所有直流通道的總輸出功率非常重要。如果系統(tǒng)中有4個或4個以下的通道，而且功率要求比較低，那么比較明智的選擇是以19英寸機架安裝套件形式提供的4個線性電源。

　　如果系統(tǒng)要求更多的輸出通道，或更高的輸出功率，那么使用開關(guān)電源是更好的選擇。開關(guān)電源可以提供比線性電源更高的功率密度。通過使用開關(guān)電源，你可以擁有12VDC輸出，并能以相同的機架安裝結(jié)構(gòu)提供高達4000W的功率。開關(guān)電源要比線性電源更容易控制，而每通道的成本差不多。

　　即使在要求低紋波和噪聲輸出的應用中，開關(guān)電源也不只是更有效率。最近功率電子領(lǐng)域中的發(fā)展(如零開關(guān))，極大地改進了開關(guān)電源的紋波和噪聲性能。當你同樣認為開關(guān)電源比線性電源更加靈活、并且能夠提供更高的功率密度時，那么它們將成為除少數(shù)應用外幾乎所有應用的首選。

　　圖2:線性電源與開關(guān)電源的噪聲譜。

　　瞬態(tài)響應

　　瞬態(tài)響應是衡量電源應對電流需求變化或負載阻抗變化能力的一個指標。對許多應用來說這是一個很重要的指標。

　　當輸出電流需求在一個很短的時間內(nèi)顯著增加或減少時，輸出電壓也可能發(fā)生顯著的下降或上升。電源內(nèi)部電壓控制環(huán)路試圖將輸出保持在設(shè)定電壓值，但響應不是立即發(fā)生的。

　　為了得到更快的瞬態(tài)響應，有時不得不勉強接受更大的紋波和噪聲。在可編程電源內(nèi)部，需要在內(nèi)部電壓控制環(huán)路和輸出濾波器之間進行折衷。大的輸出濾波器可以限制紋波和噪聲，但會使電源更慢地響應快速變化的負載。非?？斓膬?nèi)部電壓控制環(huán)路雖然可以縮短瞬態(tài)響應時間，但可能造成上沖或下沖，進而可能損壞待測設(shè)備(DUT)。

　　圖3: 開關(guān)模式可編程直流電源的典型瞬態(tài)響應規(guī)格。

　　移動電話測試是瞬態(tài)響應的典型應用案例。在該應用中，直流電源模擬移動電話的內(nèi)部電源。當話機開始發(fā)送信號時，電流會很快上升。

　　對于話機的內(nèi)部電池來說這不是個問題，但對于可編程開關(guān)電源而言，這是一個比較困難的任務。在這種情況下線性電源是比開關(guān)電源更好的一個選擇，因為這種應用的功率要求低，而線性電源的瞬態(tài)響應一般來說比開關(guān)電源要好。

　　然而測試汽車繼電器和熔絲又是另外一回事。對這種應用而言，可編程直流電源必須能夠在高達30VDC的條件下提供大的電流，而且典型的功率要求是5kW至10kW.在這種測試中，大的直流輸出電壓上沖可能損壞繼電器或熔絲。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，你肯定希望電源能夠控制直流輸出電流從零瞬變到最大輸出或從最大輸出瞬變到零輸出。

　　使用預負載是限制上沖和下沖的一種實用技術(shù)?？梢詫⒁粋€預負載與待測設(shè)備并聯(lián)在一起，這時可編程電源的直流輸出將限制電流變化率，從而顯著減小直流電壓上沖和下沖的幅度。想像一下50%的電流流經(jīng)這個附加的預負載，另外50%的電流流經(jīng)待測設(shè)備。當待測設(shè)備產(chǎn)生100%電流需求時，電源只看到50%的電流需求變化。管理50%而不是100%的電流需求變化對電源來說容易得多，而且?guī)缀跸烁邏荷蠜_效應，因而避免了對待測設(shè)備的任何損壞可能。在本例中可以使用簡單便宜的阻性負載作為預負載。任何比例都是好的。換句話說，為了獲得瞬態(tài)響應和上沖規(guī)格的改善，這個新增負載吸收40%、50%還是60%的電流需求并不是關(guān)鍵。

　　圖4:使用預負載的測試方案示意圖。

　　使用預負載的缺點是要求兩倍的直流輸出電流。幸運的是，如果你使用AMETEK的開關(guān)電源，額外功率要求的代價是相當便宜的。因此與專門的電源子系統(tǒng)來說，針對這種特殊應用使用預負載是一種成本很低、實用性更強的方法。

　　圖5:開關(guān)電源架構(gòu)。

　　擺率

　　下一個需要考慮的規(guī)格參數(shù)是直流輸出電壓的壓擺率(上升和下降時間)。為了改善紋波和噪聲性能，直流可編程電源的輸出濾波器中會使用存儲大量能量的大電容。這個濾波器的充放電時間和待測設(shè)備的電流需求是決定電源壓擺率的主要因素。壓擺率基本上與所連的待測設(shè)備無關(guān)。

　　對于大多數(shù)AMETEK電源來說，直流輸出上升時間對大部分應用而言是足夠快的。只需考慮直流輸出下降時間。下降時間不僅取決于可編程電源直流輸出端的內(nèi)部LCR濾波網(wǎng)絡，而且取決于所連接的待測設(shè)備。如果與電源電流容量相比待測設(shè)備抽取的電流相對較小，那么輸出電容中存儲的能量在通過待測設(shè)備耗盡之前可能要花很長的時間。如果待測設(shè)備的最小電流要求至少是電源容量的60%，那么存儲的能量將立即釋放掉，輸出電壓的下降時間是最短的。雖然如此，在大多數(shù)情況下直流輸出下降時間都要比直流輸出上升時間慢兩到三倍。

　　改善直流輸出上升時間的一種方法是選擇具有更高直流輸出范圍的可編程電源。例如，如果待測設(shè)備是與汽車相關(guān)的設(shè)備，一個30VDC的電源可以覆蓋所有測試應用，那就選擇一個60VDC的可編程電源，但只使用到30VDC.這樣做的理由是60VDC電源的輸出電容要比30VDC可編程電源的輸出電容小很多。兩種電源的輸出電壓從0V到滿刻度的時間是相等的。換句話說，當觀察單位為V/ms的上升時間時，60VDC電源的上升時間要比30VDC電源快一倍。

　　為了改善直流輸出下降時間，可以在待測設(shè)備或電源的直流輸出端并聯(lián)一個預負載。不過要確保預負載和待測設(shè)備加在一起的總電流需求至少要達到可編程電源電流能力的65%。這個方法要求電源提供更多的功率，因為在相同輸出電流條件下要求更大的直流輸出電壓范圍。[!--empirenews.page--]

　　典型的輸出電流擺率是45A/ms。AMETEK可編程電源公司生產(chǎn)的一些直流電源還支持固態(tài)激光應用。這些是輸出電流擺率高達400A/ms的電流源。

　　將電子負載與電源串聯(lián)起來、并將電子負載用作電流調(diào)制器可以實現(xiàn)更快的電流擺率。這種組合允許電流擺率高達6000A/ms。

　　負載調(diào)整率

　　可編程電源的另外一個重要參數(shù)是負載調(diào)整率，它是指由于待測設(shè)備電流需求變化引起的輸出電壓距設(shè)置點變化的百分比。正常情況下這種效應應該是非常小的(不到設(shè)定輸出電壓的0.01%)。

　　圖6:作為負載變化函數(shù)的輸出電壓的變化百分比

　　線路調(diào)整率

　　線路調(diào)整率規(guī)定了作為交流輸入線路電壓函數(shù)的直流輸出電壓或電流的變化百分比。當輸入線路電壓不穩(wěn)定時，這個參數(shù)就顯得尤其重要。

　　圖7:線路調(diào)整率對輸出電壓的影響。

　　穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性衡量的是電源輸出電壓或電流的長期漂移性能。

　　磁盤測試就是一種典型的應用。在這種應用中，可編程電源當作是處于恒流模式的電流源。對于這種測試來說，用戶需要確保磁通量值在整個測試過程中是不變的。因此電源必須將直流輸出電流設(shè)定為一個特定值，并在測試期間保持這個值不變。穩(wěn)定性單位一般是百萬分之一(ppm)。

　　并聯(lián)工作

　　如果你需要的輸出電流比單個電源能夠提供的還要大，將多個電源輸出并聯(lián)起來使用是常規(guī)的解決方案。AMETEK可編程電源公司提供專門的控制總線用于電源并聯(lián)。這種專用總線的好處是，并聯(lián)電源的總性能仍然能夠滿足為單個電源提出的原始規(guī)范要求。系統(tǒng)自己可以完成配置，并確定哪個單元是主，哪些單元是從。在連接快速瞬變待測設(shè)備時，通常推薦在每個電源的正輸出線上使用保護阻塞二極管。

　　當以這種方式并聯(lián)電源時，你可以使用具有不同電流范圍的電源，但所有電源應該具有相同的輸出電壓范圍。所有人工控制或遠程控制都是通過主單元完成的。任何檢測線都只連接主單元。記住，總電流是每個單獨電源上顯示的電流值之和。一些先進的型號，如Sorensen SGI系列，可以計算和顯示總的系統(tǒng)電流。

　　圖8:并聯(lián)電源在測試中的應用。

　　串聯(lián)工作

　　為了提供比單個電源可以提供的更高的輸出電壓，可以將直流電源串聯(lián)起來使用。你全部要做的是將每個電源的正極連接到另外一個電源的負極。

　　雖然這個做法正確，不過有些限制。每個可編程電源都有電壓隔離指標，一個是相對機箱隔離負的數(shù)值，一個是相對機箱隔離正的數(shù)值。需要確保不超過這些電壓值。

　　第二個限制是在串聯(lián)工作時，不存在主單元或從單元。這意味著每個電源需要單獨進行編程。當使用遠程控制方法時，所有接口都需要通過光耦進行電流隔離。大多數(shù)直流電源提供許多隔離型接口，包括模擬接口、RS-232、RS-485和以太網(wǎng)。

　　模擬編程

　　直流可編程電源通常提供一個標準的隔離型模擬接口。通過這個模擬接口可以設(shè)置電源的直流輸出電壓、電流和過壓保護(OVP)。這些值通過提供一個電壓信號、一個電流信號或?qū)⒁粋€電阻連接到模擬輸入端進行控制。

　　舉例來說，你可以使用PLC的模擬輸出控制電源的輸出電壓?；蛘吣憧梢允褂脽崦綦娮杩刂齐娫吹妮敵觥Ａ硗膺€提供電壓與電流監(jiān)視信號線和控制線，可以讓你在毫秒反應時間內(nèi)使能或終止電源。

　　本地和遠程檢測

　　許多直流電源可以被配置為本地或遠程檢測。為了進行更加精確的輸出電壓設(shè)置，應該使用遠程檢測。在這種模式中，你可以檢測電源連接負載處的電壓。這種方法會補償引線上的壓降。

　　如果檢測線很長，建議使用屏蔽線纜，以避免任何可能疊加到主直流輸出上的干擾。遠程檢測通?？梢匝a償比規(guī)定大得多的壓降。使用遠程檢測可能出現(xiàn)的一個問題是，當電源線上的壓降較高時瞬態(tài)響應可能較慢，但通常這不是個問題。

　　恒流模式

　　雖然大多數(shù)電源用在恒壓模式，但也有許多應用要求直流電源工作在恒流模式。當工作在恒流模式時，一些功能或規(guī)格參數(shù)是不可用的。例如在恒流模式下，遠程檢測就不再是考慮事項，輸出電壓設(shè)定點精度和分辨率也是。重要的是精確的電流控制。輸出電壓紋波和噪聲也不像輸出電流紋波和噪聲那樣重要。

　　在恒流模式中，模擬控制可以驅(qū)動變化速度至少是電壓變化100倍的電流變化。從電壓模式到電流模式的轉(zhuǎn)換是自動的。一旦電流需求超過設(shè)定的電流極限，直流電源就會向下調(diào)整電壓以匹配設(shè)定的電流極限，并使輸出電流保持恒定。

　　浪涌電流

　　對一些應用來說，浪涌電流是一個重點考慮因素。浪涌電流是第一次開機時電子設(shè)備抽取的瞬態(tài)輸入電流。像電機和電源轉(zhuǎn)換器等一些負載會抽取很大的浪涌電流。因此電源需要通過調(diào)整以適應這種浪涌電流。

　　數(shù)字控制和測量

　　一般來說，可編程電源的輸出電壓和電流可以通過數(shù)字接口實現(xiàn)最精確的設(shè)定，并且具有最高的分辨率。如前所述，直流電源通常提供許多不同種類的接口，包括RS-232、RS-485、USB、GPIB、Modbus-TCP、Modbus-RTU和以太網(wǎng)。

　　圖9:通過順序編程創(chuàng)建的快速輸出電流曲線支持熔絲額定值測試。

　　除了硬件外，大多數(shù)直流電源公司還提供相關(guān)的軟件，幫助你方便地將直流電源集成進你的系統(tǒng)中。例如，AMETEK隨每個電源都提供IVI驅(qū)動程序，電源可以用標準的SCPI命令進行編程。這樣就使得系統(tǒng)編程和系統(tǒng)集成簡單得多。

　　附件和支持

　　在選擇電源時附件的多少也是一個重要的考慮因素。例如，如果你計劃用機架安裝電源，那就要檢查你的電源是否帶機架安裝附件。購買現(xiàn)成的機架安裝套件總是比你自己做一套要便宜得多。

　　本文小結(jié)

　　在選擇直流可編程電源時，有許多參數(shù)需要考慮。電氣參數(shù)可能是最重要的，但你還需要考慮外形尺寸、控制需求甚至附件的可用性。將所有這些因素考慮進去，你就能為你的應用作出最佳的選擇。