如何正確理解線性電源指標(biāo)

如何正確理解線性電源指標(biāo)乍一看，可變直流電源設(shè)備似乎很簡單。但它是一種極為復(fù)雜、準(zhǔn)確而且耐用的高負荷電子設(shè)備。無論是阻性、感性、容性、低阻抗、高阻抗、穩(wěn)態(tài)還是可變負載，電源設(shè)備都必須可靠地提供穩(wěn)定、精密和清潔的電壓和電流。工程師在應(yīng)用中如要選擇適合的電源，需要透徹理解電源指標(biāo)。下面簡要介紹線性電源指標(biāo)。線性電源非常耐用、準(zhǔn)確并能提供低噪聲功率。它們簡單、直接的反饋機制提供了優(yōu)秀的負載調(diào)整率和整體穩(wěn)定性。圖1示出了線性電源的簡化框圖。圖1可編程線性電源的簡化框圖線性電源指標(biāo)線性電源有很多指標(biāo)，但可以從邏輯上劃分為三類：準(zhǔn)確度和分辨率、穩(wěn)定性以及交流特性。我們將分別介紹屬于這三類的重要指標(biāo)。大多數(shù)直流電源有兩種工作模式。在恒壓(CV)模式下，電源會根據(jù)用戶設(shè)置調(diào)節(jié)輸出電壓。在恒流(CC)模式下，電源將調(diào)節(jié)電流。電源是CV模式還是CC模式不僅取決于用戶設(shè)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(biāo)。準(zhǔn)確度和分辨率在任意給定時間上，電源調(diào)節(jié)電壓或電流并在儀器準(zhǔn)確度范圍內(nèi)使電壓或電流與設(shè)置相匹配。在CV模式下，在儀器準(zhǔn)確度指標(biāo)范圍內(nèi)輸出電壓匹配電壓設(shè)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(shè)置。電壓由負載阻抗決定。歷史上，直流電源用戶使用電位計設(shè)置輸出電壓或電流。今天，微處理器從用戶接口或遠端接口接收輸入。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）接收數(shù)字設(shè)置，將其轉(zhuǎn)換為模擬值并用作模擬調(diào)節(jié)器的參考。設(shè)置分辨率和準(zhǔn)確度的值由轉(zhuǎn)換質(zhì)量和調(diào)節(jié)過程決定。電壓和電流設(shè)置（有時稱為極限或設(shè)置值）分別有與之相關(guān)的分辨率和準(zhǔn)確度指標(biāo)。這些設(shè)置的分辨率決定了輸出可調(diào)的最小增量，準(zhǔn)確度描述了輸出值符合國際標(biāo)準(zhǔn)的程度。應(yīng)當(dāng)分別考慮設(shè)置和回讀指標(biāo)?；刈x準(zhǔn)確度好并不一定就意味著設(shè)置準(zhǔn)確度好。大多數(shù)直流電源提供內(nèi)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，所以儀表測量值通常稱為回讀值。大多數(shù)專業(yè)電源包含了使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字儀表并且這些內(nèi)部儀器指標(biāo)類似于數(shù)字萬用表指標(biāo)。電源在前面板顯示儀表值并通過其遠程接口（如果配置了）發(fā)送儀表值。設(shè)置準(zhǔn)確度設(shè)置準(zhǔn)確度決定了調(diào)節(jié)參數(shù)與國際標(biāo)準(zhǔn)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。通過連至電源輸出端的可追蹤、精密測量系統(tǒng)測量調(diào)節(jié)變量進而測試設(shè)置準(zhǔn)確度。設(shè)置準(zhǔn)確度為：士（設(shè)置值的％+偏移量）例如，吉時利2200-32-3電源的電壓設(shè)置準(zhǔn)確度指標(biāo)為±（0.03%+3mV）。因此，當(dāng)設(shè)置輸出5V時，輸出值不確定度為5V（0.0003+3mV），或4.5mV.電流設(shè)置準(zhǔn)確度也類似地規(guī)定和計算。設(shè)置分辨率設(shè)置分辨率是電源上電壓或電流的最小設(shè)置變化量選項。有時，此參數(shù)稱為編程分辨率。分辨率指標(biāo)限制了可設(shè)置的離散電平數(shù)。通常，離散電平數(shù)由用戶接口位數(shù)和DAC位數(shù)共同決定。更多位數(shù)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(diào)和增益誤差校正會使分辨率低于DAC提供的位數(shù)。用單步設(shè)置修改分辨率不一定總會使輸出相應(yīng)改變。但是，設(shè)置準(zhǔn)確度指標(biāo)管理著設(shè)置與輸出的關(guān)系，并應(yīng)在此容許范圍內(nèi)校準(zhǔn)儀器。設(shè)置分辨率可以用絕對單位值或滿量程百分數(shù)表示。例如，吉時利2200-32-3的電壓設(shè)置分辨率為imV,電流設(shè)置分辨率為0.1mA.回讀準(zhǔn)確度回讀準(zhǔn)確度有時也稱為儀表準(zhǔn)確度。它決定了內(nèi)部測量值與輸出電壓理論值的接近程度（在啟用設(shè)置準(zhǔn)確度之后）。像數(shù)字萬用表那樣，使用追溯性的參考標(biāo)準(zhǔn)測試回讀準(zhǔn)確度?；刈x準(zhǔn)確度表示為：士（測量值的％+偏移量）回讀分辨率回讀分辨率是電源內(nèi)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，也可以用滿量程的百分數(shù)表示。例如，吉時利2200-32-3的電壓回讀分辨率為imV,電流設(shè)置分辨率為0.1mA.見圖2.吉時利2200系列儀器的imV和0.1mA回讀分辨率。下方顯示的最低有效位對應(yīng)于設(shè)置分辨率"src="/d/file/20i206/6a30389d0151cc436d809ae0ec07ff89.jpg"width="450"height="117"/>圖2上方顯示的最低有效位對應(yīng)于吉時利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(yīng)于設(shè)置分辨率使用遠端感測提高電壓準(zhǔn)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，使用較大尺寸線纜能降低測試線壓降。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線連接能確保電源的設(shè)置電壓即為在DUT上得到的電壓。用4線連接電源與DUT,一組測試線傳送輸出電流，另一組測試線被電源用于在DUT端直接測量電壓，如圖3所示。電源內(nèi)部感測線連接至高阻抗電表電路;因此，測試線電流接近于零，基本上消除了測試線壓降。通過增大輸出電壓來補償傳送電流至DUT的源測試線壓降，電源維持了感測線上的預(yù)計輸出電壓。LoadLoad圖3遠端感測通過分隔源電流與感測電路消除了測試線電阻效應(yīng)，源調(diào)節(jié)可以保持負載兩端的規(guī)定電壓穩(wěn)定性指標(biāo)穩(wěn)定性指標(biāo)描述了電源對變化的響應(yīng)。幾個指標(biāo)表明了儀器在短期內(nèi)提供穩(wěn)定輸出的能力。這部分討論了在改變負載、交流線電壓和溫度條件下描述輸出穩(wěn)定性的指標(biāo)。長期來看，電源由于老化，其性能不可避免地降低。通過定期驗證和儀器校準(zhǔn)可以管理長期穩(wěn)定性問題。吉時利電源的校準(zhǔn)周期為一年。溫度穩(wěn)定性上文討論的準(zhǔn)確度通常規(guī)定在25°C左右的特定溫度范圍內(nèi)有效。典型溫度范圍是20°C?30°C(68°F?86°F)。如果在溫度穩(wěn)定的實驗室環(huán)境下使用電源，輸出端溫度效應(yīng)會很小。另一方面，如果是工業(yè)環(huán)境或現(xiàn)場安裝，溫度可能與室溫相差很多，所以確定準(zhǔn)確度時考慮溫度非常重要。隨著環(huán)境溫度偏離室溫，輸出端不確定度將增大。負載調(diào)整率(電壓和電流)負載調(diào)整率是測量負載變化時輸出通道保持穩(wěn)定的能力。參見圖4.隨著DUT阻抗變化，調(diào)節(jié)參數(shù)不會顯著變化。當(dāng)然，如果負載變化太大，調(diào)節(jié)參數(shù)可能在電壓和電流之間變化，這取決于未調(diào)節(jié)參數(shù)的極限設(shè)置。假設(shè)電源未達到此交點，用作電壓源時會保持較低的輸出阻抗;用作電流源時會保持較高的輸出阻抗。負載調(diào)整率可以用幾種方法規(guī)定。例如，電壓調(diào)整率可以表示為每安培電流的電壓變化。但是，包括吉時利在內(nèi)的大多數(shù)電源制造商將負載調(diào)整率解釋為在非調(diào)節(jié)參數(shù)出現(xiàn)顯著變化時的輸出準(zhǔn)確度。這種熟悉的格式方便理解并且便于通過測試驗證：士（設(shè)置值的％+偏移量）吉時利負載調(diào)整率指標(biāo)通過設(shè)為全量程輸出的調(diào)節(jié)變量驗證。非調(diào)節(jié)變量可以在0~98%變化，并對照相應(yīng)指標(biāo)檢查輸出。以吉時利2200-32-3電源為例，輸出電壓負載調(diào)整率指標(biāo)為所選輸出電壓的±0.01%加2mV,所以在全額定輸出為32V時，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，輸出仍將保持在±5.2mV以內(nèi)。CC模式的負載調(diào)整率定義類似于CV模式的線路調(diào)整率。電流負載調(diào)整率描述了電源輸出電流對負載阻抗階躍變化的響應(yīng)。線路調(diào)整率（電壓和電流）線路調(diào)整率測量在交流輸入電壓和頻率在整個允許范圍內(nèi)變化條件下，電源保持其輸出電壓或輸出電流穩(wěn)定的能力。尤其在最大電源電流的情況下，線電壓和頻率會極大地影響提供至輸出端的功率。在實驗室條件下用穩(wěn)定的交流線電壓測試一小段時間可以忽略線路調(diào)整率。但是，如果在工作環(huán)境下交流線電壓容易受擾動或在較長時間內(nèi)進行測試，那么線路調(diào)整率是一個關(guān)鍵的考慮因素。電壓線路調(diào)整率可以規(guī)定為直流輸出電壓變化量與交流線電壓（有效值）和頻率變化量的比值。然而，為了與大多數(shù)測試設(shè)備指標(biāo)保持一致，制造商通常將線路調(diào)整率表示為輸出相對于全量程的有效交流線路參數(shù)的不確定性。這里給出了最差情況并定義為：士（設(shè)置值的％+偏移量）例如，吉時利2200-32-3電源的電壓線路調(diào)整度率指標(biāo)為±（0.01%+imV）。因此，當(dāng)2200-32-3設(shè)為32VDC輸出時，即使交流源電壓在整個允許范圍內(nèi)變化，輸出都將保持在32V（0.01%+imV）=4.2mV.如圖4所示。電流負載調(diào)整率是一個類似的指標(biāo)。除了說明輸出隨交流源變化的電壓容許變化量以外，電流負載調(diào)整率還說明了隨交流源變化的電流容許變化量。通常，該指標(biāo)在交流源電壓和頻率的整個范圍內(nèi)都有效。吉時利2200-32-3的輸出電壓調(diào)節(jié)。在整個變化過程中，輸出電壓保持穩(wěn)定”src="/d/file/20i206/fad8422e89e2cfdea968a54ab6bac815.jpg"width="450"height="275"/>圖4示波器屏幕顯示了當(dāng)負載電流從0A變至2.8A時，吉時利2200-32-3的輸出電壓調(diào)節(jié)。在整個變化過程中，輸出電壓保持穩(wěn)定穩(wěn)定至最終值的75mv以內(nèi)的時間標(biāo)載從變至1A <400ps設(shè)置從IX?至11310C負載fc35ms設(shè)置從in?至IV,上口0負載<35ms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。輸出會有一些交流成分。對于某些應(yīng)用而言，輸出中較大的交流成分會對電路產(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(shè)置改變的瞬態(tài)響應(yīng)也非常有幫助。例如，在自動測試中，重要的是了解電源在設(shè)置改變后需要多長時間才能穩(wěn)定。紋波和噪聲指標(biāo)直流電源輸出的交流雜散成分被稱為紋波和噪聲，或稱作周期和隨機偏差(PARD)。這些術(shù)語通常能互換使用。紋波指輸出中的交流周期信號。在頻域觀察時，紋波顯示為雜散響應(yīng)。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，噪聲顯示為基線升高。參見圖5和圖6.由于紋波和噪聲通?；旌显谝黄鸩灰讌^(qū)別開，所以在本文中我們將用縮略詞PARD指這種組合效果。PARD指標(biāo)必須規(guī)定帶寬并且應(yīng)當(dāng)對電流和電壓都進行說明。當(dāng)電源在CC模式時，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(qū)動高阻抗負載時非常重要。因為考慮到帶寬，PARD指標(biāo)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(biāo)時考慮整個信號通路非常重要。例如，使用寬帶示波器和窄帶探針可以使指標(biāo)優(yōu)于應(yīng)有水平。吉時利2200-32-3的電壓PARD指標(biāo)說明了這一點。在20Hz至7MHz帶寬范圍內(nèi)，電壓PARD指標(biāo)為imV有效值和4mV峰峰值，而且給出了在20Hz至20MHz更寬頻率范圍內(nèi)的寬帶指標(biāo)為3mV有效值和20mV峰峰值。瞬態(tài)響應(yīng)另一組交流特性描述了電源對于變化的響應(yīng)速度。瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)說明了當(dāng)負載或設(shè)置改變后輸出變?yōu)榉€(wěn)定直流的速度。大多數(shù)電源輸出端并聯(lián)了大電容以便提供清潔、穩(wěn)定的直流。當(dāng)此電容與負載電阻并聯(lián)時，得出一個時間常數(shù)并且時間常數(shù)大小會隨負載阻抗變化。由于與負載電阻緊密相關(guān)，所以設(shè)置變化的響應(yīng)必須針對具體負載規(guī)定。常見指標(biāo)中包括開路、短路或具體電阻值等負載。瞬態(tài)響應(yīng)的測試需要對負載阻抗和電源設(shè)置施加較大的階躍變化，并測量穩(wěn)定至最終值的時間(如表1)。吉時利全部2200系列電源的電壓瞬態(tài)響應(yīng)都給出了三個條件：增大負載，提高設(shè)置和降低設(shè)置。

Im"Wi"j圖6使用1X探頭和約7MHz帶寬測量噪聲的同時電源提供全額定電流表1吉時利Im"Wi"j圖6使用1X探頭和約7MHz帶寬測量噪聲的同時電源提供全額定電流表1吉時利2200-32-3電源的電壓瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)準(zhǔn)確的測量結(jié)果需要準(zhǔn)確的電源為了確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，必須擁有能將功率準(zhǔn)確送至DUT的電源。如果電源準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性不能滿足需要，測量結(jié)果就會受DUT的性能以及電源性能的影響。溫度漂移、負載突變和交流線電壓波動僅僅是帶來麻煩的部分原因。專門為應(yīng)對這些變化并小2%E1? 1Low-frequen<7PeriodicDeviation(Ripple)圖5此簡化示意圖說明了周期（紋波）和隨機（噪聲）失真的概念RandomDeviation(Noise)(Rip闡High-frequencyPeriodicDeviation，即一Vllyt214MV2i4rtlVf10k/nnH 仄。6Vwi? 3yg44帆?7 U”且為了持續(xù)、準(zhǔn)確地提供規(guī)定電壓或電流而設(shè)計的準(zhǔn)確電源將讓工程師對測試結(jié)果充滿信心。確保電源質(zhì)量達到指標(biāo)要求為了對電源的設(shè)計和制造達到相應(yīng)的質(zhì)量水平充滿信