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(biāo)稱12VDC,但最大輸入電壓可能高達(dá)27VDC.正因?yàn)槿绱耍恍┢嚇?biāo)準(zhǔn)要求對12VDC器件進(jìn)行高達(dá)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(yīng)用是測試通信設(shè)備，比如無線電或移動電話或雷達(dá)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(shí)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(yīng)用的較好選擇。

　　當(dāng)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(yīng)用中使用線性直流電源比較劃算。

　　從這一點(diǎn)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(jī)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(jī)架安裝結(jié)構(gòu)提供高達(dá)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(yīng)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(jìn)了開關(guān)電源的紋波和噪聲性能。當(dāng)你同樣認(rèn)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(yīng)用外幾乎所有應(yīng)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(yīng)

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

　　當(dāng)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(yīng)不是立即發(fā)生的。

　　為了得到更快的瞬態(tài)響應(yīng)，有時不得不勉強(qiáng)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(jìn)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(yīng)快速變化的負(fù)載。非常快的內(nèi)部電壓控制環(huán)路雖然可以縮短瞬態(tài)響應(yīng)時間，但可能造成上沖或下沖，進(jìn)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(yīng)規(guī)格。

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

　　對于話機(jī)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(wù)。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?yàn)檫@種應(yīng)用的功率要求低，而線性電源的瞬態(tài)響應(yīng)一般來說比開關(guān)電源要好。

　　然而測試汽車?yán)^電器和熔絲又是另外一回事。對這種應(yīng)用而言，可編程直流電源必須能夠在高達(dá)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(yù)負(fù)載是限制上沖和下沖的一種實(shí)用技術(shù)?？梢詫⒁粋€預(yù)負(fù)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(yù)負(fù)載，另外50%的電流流經(jīng)待測設(shè)備。當(dāng)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(yīng)，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(fù)載作為預(yù)負(fù)載。任何比例都是好的。換句話說，為了獲得瞬態(tài)響應(yīng)和上沖規(guī)格的改善，這個新增負(fù)載吸收40%、50%還是60%的電流需求并不是關(guān)鍵。

　　圖4:使用預(yù)負(fù)載的測試方案示意圖。

　　使用預(yù)負(fù)載的缺點(diǎn)是要求兩倍的直流輸出電流。幸運(yùn)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(dāng)便宜的。因此與專門的電源子系統(tǒng)來說，針對這種特殊應(yīng)用使用預(yù)負(fù)載是一種成本很低、實(shí)用性更強(qiáng)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(yīng)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(luò)，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(yīng)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(dāng)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(yù)負(fù)載。不過要確保預(yù)負(fù)載和待測設(shè)備加在一起的總電流需求至少要達(dá)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?yàn)樵谙嗤敵鲭娏鳁l件下要求更大的直流輸出電壓范圍。