阿美特克程控電源部門

介紹

在當(dāng)前流行的一些應(yīng)用中，例如汽車電子、航空電子等，有相當(dāng)多的測(cè)試場(chǎng)景要求直流供電能夠達(dá)到非常快速的電壓變化斜率。

一個(gè)典型的例子是要求輸出直流脈沖波形，我們就需要根據(jù)脈沖寬度來(lái)評(píng)估對(duì)于上升/下降時(shí)間的要求，例如對(duì)于脈寬在幾百毫秒的直流脈沖，可能若干毫秒的上升/下降時(shí)間是可以接受的，但如果脈寬在10毫秒，5毫秒，乃至1毫秒，那么上升沿和下降沿的時(shí)間就必須要大大小于1毫秒才能給出形態(tài)良好的脈沖波形。另一個(gè)例子是對(duì)于某些控制板進(jìn)行供電時(shí)，如果電壓上升速度過(guò)慢，可能會(huì)影響到待測(cè)物的后續(xù)上電時(shí)序控制功能。

對(duì)于這些應(yīng)用，我們需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)試需求來(lái)定義電源的斜率要求。本文以AMETEK程控電源部的有代表性的電源系列為例，來(lái)說(shuō)明程控電源的典型斜率表現(xiàn)。

直流電源的電壓斜率

直流程控電源的電壓上升斜率典型值在零點(diǎn)幾到幾伏每毫秒，有些高壓型號(hào)甚至能達(dá)到幾十伏每毫秒。對(duì)于同一系列的電源，一般而言高電壓的型號(hào)的電壓上升斜率要高于低電壓的型號(hào)，而電壓相同但功率不同的型號(hào)的電壓斜率則基本上沒有區(qū)別。

以AMETEK旗下的經(jīng)典產(chǎn)品Sorensen SG系列為例，其80V的型號(hào)在67%帶載功率的情況下從0V上升至80V的典型時(shí)間是32毫秒（如圖2波形），而800V的型號(hào)在相同情況下從0V上升至800V的典型時(shí)間是約38毫秒（如圖3波形）。

換言之，同系列的電源中每個(gè)型號(hào)從0V上升至滿電壓輸出的所需時(shí)間往往是相近的，因此換算成電壓斜率后高電壓的型號(hào)就可能會(huì)比低電壓的型號(hào)要快很多。

圖2  SG 80V型號(hào)在67%帶載時(shí)的滿量程輸出電壓變化(上升)

這條規(guī)律對(duì)于電壓下降的情況基本上也可以適用，但是需要特別注意，直流電源的電壓下降速率還受到帶載情況的非常巨大的影響，同一機(jī)臺(tái)在空載和滿載時(shí)的電壓下降速率的差異就能達(dá)到10倍之巨。當(dāng)電源滿載或者重載（輸出2/3以上額定電流值）輸出時(shí)，其電壓下降的速率還是比較快的，基本上和其上升速率在同樣的量級(jí)。但是當(dāng)電源處于輕載乃至空載時(shí)，其電壓下降速率就要變慢很多。對(duì)于那些在輕載情況下有電壓下降斜率要求的測(cè)試場(chǎng)景，我們?cè)u(píng)估時(shí)務(wù)必要十分小心，不可簡(jiǎn)單套用常規(guī)的重載情況下的斜率參數(shù)。當(dāng)然我們也可以通過(guò)對(duì)于輕載并聯(lián)另一個(gè)專門的負(fù)載來(lái)增大電源的輸出電流以加快其電壓下降速率，在AMETEK程控電源部的產(chǎn)品目錄冊(cè)中就專門收錄了一篇文章介紹這種方法。

此外，我們還可以從以上的幾幅電壓變化軌跡圖上得到一些更多的信息，例如SG系列電源在電壓變化的過(guò)程中，起始時(shí)的變化斜率更快，到接近到目標(biāo)值時(shí)會(huì)降低斜率，其即使發(fā)生了電壓滿刻度的變化，也基本沒有任何過(guò)沖。

交直流兩用電源的電壓斜率

一般交直流兩用電源本質(zhì)上是按照交流電源來(lái)設(shè)計(jì)的，同時(shí)提供了直流工作模式。這樣的設(shè)計(jì)使得其能夠提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)直流電源的電壓變化斜率，且不論是上升還是下降的斜率表現(xiàn)是一致的，受帶載的影響也很小。

圖5 AMETEK旗下的California Instruments CSW電源

以AMETEK旗下的California Instruments CSW系列電源為例，其官方規(guī)格的標(biāo)稱電壓斜率高達(dá)6V每微秒，是常規(guī)直流電源的數(shù)千倍。當(dāng)CSW工作于直流模式，基本上在其輸出量程內(nèi)的任意電壓變化都可以在數(shù)十微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)（圖6、圖7分別是電壓0V至270V的上升和下降波形）。

圖6  CSW5550的電壓上升波形

如此高速的電壓變化基本上達(dá)到了絕大多數(shù)測(cè)試項(xiàng)目的要求，包括能夠輸出外形基本良好的毫秒級(jí)脈沖波形。但是我們也要注意到交直流兩用電源的輸出不論是電壓上升還是下降都會(huì)存在一個(gè)較為明顯的過(guò)沖，不同的型號(hào)會(huì)有不同的表現(xiàn)，CSW5550是對(duì)過(guò)沖控制得相對(duì)較為良好的，大約在10%左右，持續(xù)時(shí)間在十余微秒。

如下圖8是利用CSW5550來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車電子中一個(gè)典型的測(cè)試波形，即依次輸出脈寬為10ms，9ms，8ms……1ms的24V脈沖波形。

這種過(guò)沖可以通過(guò)人為控制電壓變化斜率的方式來(lái)得到抑制，例如當(dāng)CSW5550的電壓變化時(shí)間被設(shè)置為1ms時(shí)，其內(nèi)置控制器會(huì)自動(dòng)以0.25毫秒為每一步電壓變化的步進(jìn)持續(xù)時(shí)間，即分四個(gè)階梯來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的變化，而最后產(chǎn)生的過(guò)沖也就隨之降低至大約1/4的程度；另一種方式是使用外部的函數(shù)發(fā)生器生成斜率受控的波形信號(hào)，直接使用該波形來(lái)驅(qū)動(dòng)CSW5550，將CSW5550當(dāng)做一臺(tái)放大器來(lái)使用，同樣能夠通過(guò)減緩電壓變化斜率來(lái)達(dá)到降低電壓過(guò)沖的效果。如下圖9是采用外部模擬量信號(hào)(圖中藍(lán)色軌跡)控制CSW5550的輸出(圖中黃色軌跡)從0V花費(fèi)0.1毫秒上升至28V的波形采集，可以看到基本消除了過(guò)沖。

除去過(guò)沖之外，紋波噪聲是另一項(xiàng)交直流兩用電源表現(xiàn)弱于常規(guī)直流電源的參數(shù)。普通直流電源的輸出端帶有高容量的輸出電容，對(duì)于紋波噪聲的抑制能力就比較強(qiáng)。而交直流兩用電源的紋波噪聲就可能會(huì)是同電壓等級(jí)直流電源的好幾倍了。

總結(jié)

直流電源具有高功率密度、過(guò)沖小、低輸出噪聲等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)上升及下降時(shí)間要求在數(shù)十毫秒或更長(zhǎng)時(shí)往往能夠通過(guò)相應(yīng)的輸出方式實(shí)現(xiàn)。而交直流兩用電源則能夠支持更快千倍的斜率變化，但需要評(píng)估其過(guò)沖及噪聲表現(xiàn)是否滿足要求。