怎样为自动化测试系统选择合适的直流电源

用于测试电路板、模块或设备的每个自动化测试系统都需要一个或多个直流电源，用于给待测设备提供电源并提供测试激励。在有些情况下，电源不仅要向待测设备提供电源，而且要通过模拟工作环境提供测试激励源。举例来说，虽然大多数汽车电子设备工作在标称12VDC,但最大输入电压可能高达27VDC.正因为如此，一些汽车标准要求对12VDC器件进行高达27VDC的极限测试。诸如此类的必要性决定了电源要求。下面让我们看看在为自动化测试系统选择电源时需要考虑的常用电源规范有哪些？

线性电源还是开关电源？

在购买直流电源时首先要做出的决定是选择线性电源还是开关电源。线性电源具有较低的纹波和噪声，并且具有快速的瞬态行为。但它们效率低，会产生大量热量，而且很重。因此大多数工程师发现只是在较低输出功率电平（一般500W以下）时比较合意。大多数线性直流电源是台式电源。

图1:基本线性电源。

对线性台式电源来说，一个非常适合的应用是测试通信设备，比如无线电或移动电话或雷达系统的解调模块。这些设备具有非常灵敏的鉴频器或解调器电路，这些电路在低噪声系数下才能发挥理想的性能。为了测试这些单元的真实性能，我们需要确保直流电源不会给测试装置增加任何寄生噪声。由于线性电源具有比开关电源更低的输出纹波和噪声，因此它们是这类应用的较好选择。

当功率要求较低时，线性电源也是个很好的选择。开关电源的主要好处只能在较高输出功率电平才能表现出来。因此，在每个直流输出通道的功率要求不超过100W至200W的应用中使用线性直流电源比较划算。

从这一点来看，考虑系统中所有直流通道的总输出功率非常重要。如果系统中有4个或4个以下的通道，而且功率要求比较低，那么比较明智的选择是以19英寸机架安装套件形式提供的4个线性电源。

如果系统要求更多的输出通道，或更高的输出功率，那么使用开关电源是更好的选择。开关电源可以提供比线性电源更高的功率密度。通过使用开关电源，你可以拥有12VDC输出，并能以相同的机架安装结构提供高达4000W的功率。开关电源要比线性电源更容易控制，而每通道的成本差不多。

即使在要求低纹波和噪声输出的应用中，开关电源也不只是更有效率。最近功率电子领域中的发展（如零开关），极大地改进了开关电源的纹波和噪声性能。当你同样认为开关电源比线性电源更加灵活、并且能够提供更高的功率密度时，那么它们将成为除少数应用外几乎所有应用的首选。

图2:线性电源与开关电源的噪声谱。

瞬态响应

瞬态响应是衡量电源应对电流需求变化或负载阻抗变化能力的一个指标。对许多应用来说这是一个很重要的指标。

当输出电流需求在一个很短的时间内显着增加或减少时，输出电压也可能发生显着的下降或上升。电源内部电压控制环路试图将输出保持在设定电压值，但响应不是立即发生的。

为了得到更快的瞬态响应，有时不得不勉强接受更大的纹波和噪声。在可编程电源内部，需要在内部电压控制环路和输出滤波器之间进行折衷。大的输出滤波器可以限制纹波和噪声，但会使电源更慢地响应快速变化的负载。非常快的内部电压控制环路虽然可以缩短瞬态响应时间，但可能造成上冲或下冲，进而可能损坏待测设备（DUT）。

图3: 开关模式可编程直流电源的典型瞬态响应规格。

移动电话测试是瞬态响应的典型应用案例。在该应用中，直流电源模拟移动电话的内部电源。当话机开始发送信号时，电流会很快上升。

对于话机的内部电池来说这不是个问题，但对于可编程开关电源而言，这是一个比较困难的任务。在这种情况下线性电源是比开关电源更好的一个选择，因为这种应用的功率要求低，而线性电源的瞬态响应一般来说比开关电源要好。

然而测试汽车继电器和熔丝又是另外一回事。对这种应用而言，可编程直流电源必须能够在高达30VDC的条件下提供大的电流，而且典型的功率要求是5kW至10kW.在这种测试中，大的直流输出电压上冲可能损坏继电器或熔丝。为了防止这种现象的发生，你肯定希望电源能够控制直流输出电流从零瞬变到最大输出或从最大输出瞬变到零输出。

使用预负载是限制上冲和下冲的一种实用技术。可以将一个预负载与待测设备并联在一起，这时可编程电源的直流输出将限制电流变化率，从而显着减小直流电压上冲和下冲的幅度。想像一下50%的电流流经这个附加的预负载，另外50%的电流流经待测设备。当待测设备产生100%电流需求时，电源只看到50%的电流需求变化。管理50%而不是100%的电流需求变化对电源来说容易得多，而且几乎消除了高压上冲效应，因而避免了对待测设备的任何损坏可能。在本例中可以使用简单便宜的阻性负载作为预负载。任何比例都是好的。换句话说，为了获得瞬态响应和上冲规格的改善，这个新增负载吸收40%、50%还是60%的电流需求并不是关键。

图4:使用预负载的测试方案示意图。

使用预负载的缺点是要求两倍的直流输出电流。幸运的是，如果你使用AMETEK的开关电源，额外功率要求的代价是相当便宜的。因此与专门的电源子系统来说，针对这种特殊应用使用预负载是一种成本很低、实用性更强的方法。

图5:开关电源架构。

摆率

下一个需要考虑的规格参数是直流输出电压的压摆率（上升和下降时间）。为了改善纹波和噪声性能，直流可编程电源的输出滤波器中会使用存储大量能量的大电容。这个滤波器的充放电时间和待测设备的电流需求是决定电源压摆率的主要因素。压摆率基本上与所连的待测设备无关。

对于大多数AMETEK电源来说，直流输出上升时间对大部分应用而言是足够快的。只需考虑直流输出下降时间。下降时间不仅取决于可编程电源直流输出端的内部LCR滤波网络，而且取决于所连接的待测设备。如果与电源电流容量相比待测设备抽取的电流相对较小，那么输出电容中存储的能量在通过待测设备耗尽之前可能要花很长的时间。如果待测设备的最小电流要求至少是电源容量的60%，那么存储的能量将立即释放掉，输出电压的下降时间是最短的。虽然如此，在大多数情况下直流输出下降时间都要比直流输出上升时间慢两到三倍。

改善直流输出上升时间的一种方法是选择具有更高直流输出范围的可编程电源。例如，如果待测设备是与汽车相关的设备，一个30VDC的电源可以覆盖所有测试应用，那就选择一个60VDC的可编程电源，但只使用到30VDC.这样做的理由是60VDC电源的输出电容要比30VDC可编程电源的输出电容小很多。两种电源的输出电压从0V到满刻度的时间是相等的。换句话说，当观察单位为V/ms的上升时间时，60VDC电源的上升时间要比30VDC电源快一倍。

为了改善直流输出下降时间，可以在待测设备或电源的直流输出端并联一个预负载。不过要确保预负载和待测设备加在一起的总电流需求至少要达到可编程电源电流能力的65%。这个方法要求电源提供更多的功率，因为在相同输出电流条件下要求更大的直流输出电压范围。

典型的输出电流摆率是45A/ms。AMETEK可编程电源公司生产的一些直流电源还支持固态激光应用。这些是输出电流摆率高达400A/ms的电流源。

将电子负载与电源串联起来、并将电子负载用作电流调制器可以实现更快的电流摆率。这种组合允许电流摆率高达6000A/ms。

负载调整率

可编程电源的另外一个重要参数是负载调整率，它是指由于待测设备电流需求变化引起的输出电压距设置点变化的百分比。正常情况下这种效应应该是非常小的（不到设定输出电压的0.01%）。

图6:作为负载变化函数的输出电压的变化百分比

线路调整率

线路调整率规定了作为交流输入线路电压函数的直流输出电压或电流的变化百分比。当输入线路电压不稳定时，这个参数就显得尤其重要。

图7:线路调整率对输出电压的影响。

稳定性

稳定性衡量的是电源输出电压或电流的长期漂移性能。

磁盘测试就是一种典型的应用。在这种应用中，可编程电源当作是处于恒流模式的电流源。对于这种测试来说，用户需要确保磁通量值在整个测试过程中是不变的。因此电源必须将直流输出电流设定为一个特定值，并在测试期间保持这个值不变。稳定性单位一般是百万分之一（ppm）。

并联工作

如果你需要的输出电流比单个电源能够提供的还要大，将多个电源输出并联起来使用是常规的解决方案。AMETEK可编程电源公司提供专门的控制总线用于电源并联。这种专用总线的好处是，并联电源的总性能仍然能够满足为单个电源提出的原始规范要求。系统自己可以完成配置，并确定哪个单元是主，哪些单元是从。在连接快速瞬变待测设备时，通常推荐在每个电源的正输出线上使用保护阻塞二极管。

当以这种方式并联电源时，你可以使用具有不同电流范围的电源，但所有电源应该具有相同的输出电压范围。所有人工控制或远程控制都是通过主单元完成的。任何检测线都只连接主单元。记住，总电流是每个单独电源上显示的电流值之和。一些先进的型号，如Sorensen SGI系列，可以计算和显示总的系统电流。

图8:并联电源在测试中的应用。

串联工作

为了提供比单个电源可以提供的更高的输出电压，可以将直流电源串联起来使用。你全部要做的是将每个电源的正极连接到另外一个电源的负极。

虽然这个做法正确，不过有些限制。每个可编程电源都有电压隔离指标，一个是相对机箱隔离负的数值，一个是相对机箱隔离正的数值。需要确保不超过这些电压值。

第二个限制是在串联工作时，不存在主单元或从单元。这意味着每个电源需要单独进行编程。当使用远程控制方法时，所有接口都需要通过光耦进行电流隔离。大多数直流电源提供许多隔离型接口，包括模拟接口、RS-232、RS-485和以太网。

模拟编程

直流可编程电源通常提供一个标准的隔离型模拟接口。通过这个模拟接口可以设置电源的直流输出电压、电流和过压保护（OVP）。这些值通过提供一个电压信号、一个电流信号或将一个电阻连接到模拟输入端进行控制。

举例来说，你可以使用PLC的模拟输出控制电源的输出电压。或者你可以使用热敏电阻控制电源的输出。另外还提供电压与电流监视信号线和控制线，可以让你在毫秒反应时间内使能或终止电源。

本地和远程检测

许多直流电源可以被配置为本地或远程检测。为了进行更加精确的输出电压设置，应该使用远程检测。在这种模式中，你可以检测电源连接负载处的电压。这种方法会补偿引线上的压降。

如果检测线很长，建议使用屏蔽线缆，以避免任何可能叠加到主直流输出上的干扰。远程检测通常可以补偿比规定大得多的压降。使用远程检测可能出现的一个问题是，当电源线上的压降较高时瞬态响应可能较慢，但通常这不是个问题。

恒流模式

虽然大多数电源用在恒压模式，但也有许多应用要求直流电源工作在恒流模式。当工作在恒流模式时，一些功能或规格参数是不可用的。例如在恒流模式下，远程检测就不再是考虑事项，输出电压设定点精度和分辨率也是。重要的是精确的电流控制。输出电压纹波和噪声也不像输出电流纹波和噪声那样重要。

在恒流模式中，模拟控制可以驱动变化速度至少是电压变化100倍的电流变化。从电压模式到电流模式的转换是自动的。一旦电流需求超过设定的电流极限，直流电源就会向下调整电压以匹配设定的电流极限，并使输出电流保持恒定。

浪涌电流

对一些应用来说，浪涌电流是一个重点考虑因素。浪涌电流是第一次开机时电子设备抽取的瞬态输入电流。像电机和电源转换器等一些负载会抽取很大的浪涌电流。因此电源需要通过调整以适应这种浪涌电流。

数字控制和测量

一般来说，可编程电源的输出电压和电流可以通过数字接口实现最精确的设定，并且具有最高的分辨率。如前所述，直流电源通常提供许多不同种类的接口，包括RS-232、RS-485、USB、GPIB、Modbus-TCP、Modbus-RTU和以太网。

图9:通过顺序编程创建的快速输出电流曲线支持熔丝额定值测试。

除了硬件外，大多数直流电源公司还提供相关的软件，帮助你方便地将直流电源集成进你的系统中。例如，AMETEK随每个电源都提供IVI驱动程序，电源可以用标准的SCPI命令进行编程。这样就使得系统编程和系统集成简单得多。

附件和支持

在选择电源时附件的多少也是一个重要的考虑因素。例如，如果你计划用机架安装电源，那就要检查你的电源是否带机架安装附件。购买现成的机架安装套件总是比你自己做一套要便宜得多。

本文小结

在选择直流可编程电源时，有许多参数需要考虑。电气参数可能是最重要的，但你还需要考虑外形尺寸、控制需求甚至附件的可用性。将所有这些因素考虑进去，你就能为你的应用作出最佳的选择。