線性電源指標(biāo)

電源指標(biāo)概述

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(fù)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(fù)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。在說明書中明確說明了電源達(dá)到此目標(biāo)的質(zhì)量以及在何處達(dá)到極值。根據(jù)應(yīng)用選擇適合的電源要求透徹理解電源指標(biāo)。下面介紹線性電源指標(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(jī)制提供了優(yōu)秀的負(fù)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。

線性電源指標(biāo)

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(fù)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(fù)載阻抗決定。

今天，微處理器從用戶接口或遠(yuǎn)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)。回讀準(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(yuǎn)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(xiàng)（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(jìn)而測試設(shè)置準(zhǔn)確度。設(shè)置準(zhǔn)確度為：± (設(shè)置值的% + 偏移量)

例如，某型號線性電源的電壓設(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(jì)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(xiàng)。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(xì)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?jǐn)?shù)表示.

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。回讀準(zhǔn)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(nèi)部測量的輸出電壓或電流的可分辨最小變化量。回讀分辨率通常用絕對值表示，也可以用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。

使用遠(yuǎn)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(yuǎn)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(bǔ)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(jì)輸出電壓。

圖2.遠(yuǎn)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(fù)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(fù)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(yàn)證和儀器校準(zhǔn)可以管理長期穩(wěn)定性問題。

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）。如果您在溫度穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用電源，那么輸出端溫度效應(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(fù)載調(diào)整率（電壓和電流）負(fù)載調(diào)整率是測量負(fù)載變化時輸出通道保持穩(wěn)定的能力。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(fù)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(dá)到此交點(diǎn)，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(fù)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，包括大多數(shù)電源制造商將負(fù)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(yàn)證。±(設(shè)置值的% + 偏移量)

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(shí)驗(yàn)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，如果在您的工作環(huán)境下交流線電壓容易受擾動或在較長時間內(nèi)進(jìn)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。這給出了最差情況并定義為：± (設(shè)置值的% + 偏移量)

電流負(fù)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(fù)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。

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(fù)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(jī)偏差（PARD）。這些術(shù)語通常能互換使用。術(shù)語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(jī)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。

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(jìn)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(fù)載時非常重要。

此簡化示意圖說明了周期（紋波）和隨機(jī)（噪聲）失真的概念。

因?yàn)榭紤]到帶寬，PARD指標(biāo)很大程度上取決于測試技術(shù)。通常，您可以在制造商的性能驗(yàn)證程序中找到檢查PARD的程序。在證驗(yàn)紋波和噪聲指標(biāo)時考慮整個信號通路非常重要.

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(fù)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(fù)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(fù)載阻抗變化。由于與負(fù)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(fù)載規(guī)定。常見指標(biāo)中包括開路、短路或具體電阻值等負(fù)載。瞬態(tài)響應(yīng)的測試需要對負(fù)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。

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，您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(fù)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)對這些變化并且為了持續(xù)、準(zhǔn)確地提供規(guī)定電壓或電流而設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確電源將讓您對測試結(jié)果充滿信心。

確保電源質(zhì)量達(dá)到指標(biāo)要求

為了對電源的設(shè)計(jì)和制造達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量水平充滿信心，請從制造商那里獲取支持其發(fā)布的指標(biāo)的詳盡說明。例如，制造商應(yīng)當(dāng)使用按主要標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的測試儀器。而且，查找由機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，例如CSA、UL或VDE。也就是說，電源制造商已經(jīng)獲得了符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立認(rèn)定。定期檢驗(yàn)性能對于確保電源工作在制造商規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)非常重要。