论如何正确理解线性电源指标
乍一看,可变直流电源设备似乎很简单。但它是一种极为复杂、准确而且耐用的高负荷电子设备。无论是阻性、感性、容性、低阻抗、高阻抗、稳态还是可变负载,电源设备都必须可靠地提供稳定、精密和清洁的电压和电流。工程师在应用中如要选择适合的电源,需要透彻理解电源指标。下面简要介绍线性电源指标。
图1 可编程线性电源的简化框图
线性电源指标线性电源有很多指标,但可以从逻辑上划分为三类:准确度和分辨率、稳定性以及交流特性。我们将分别介绍属于这三类的重要指标。
大多数直流电源有两种工作模式。在恒压(CV)模式下,电源会根据用户设置调节输出电压。在恒流(CC)模式下,电源将调节电流。电源是CV模式还是CC模式不仅取决于用户设置还取决于负载电阻。在CV模式和CC模式下,电源适用不同的指标。
准确度和分辨率
在任意给定时间上,电源调节电压或电流并在仪器准确度范围内使电压或电流与设置相匹配。
电压和电流设置(有时称为极限或设置值)分别有与之相关的分辨率和准确度指标。这些设置的分辨率决定了输出可调的最小增量,准确度描述了输出值符合国际标准的程度。应当分别考虑设置和回读指标。回读准确度好并不一定就意味着设置准确度好。
大多数直流电源提供内置仪表测量电压和电流。这些仪表测量电源输出提供的电压和电流。由于仪表读取返回至电源的电压和电流,所以仪表测量值通常称为回读值。大多数专业电源包含了使用模数转换器的数字仪表并且这些内部仪器指标类似于数字万用表指标。电源在前面板显示仪表值并通过其远程接口(如果配置了)发送仪表值。
设置准确度设置准确度决定了调节参数与国际标准定义理论值的接近程度。电源输出不确定度主要由DAC误差项(包括量化误差)决定。通过连至电源输出端的可追踪、精密测量系统测量调节变量进而测试设置准确度。设置准确度为:±(设置值的% + 偏移量)
例如,吉时利2200-32-3电源的电压设置准确度指标为±(0.03% + 3mV)。因此,当设置输出5V时,输出值不确定度为5V(0.0003 + 3mV),或4.5mV.电流设置准确度也类似地规定和计算。
用单步设置修改分辨率不一定总会使输出相应改变。但是,设置准确度指标管理着设置与输出的关系,并应在此容许范围内校准仪器。设置分辨率可以用绝对单位值或满量程百分数表示。例如,吉时利2200-32-3的电压设置分辨率为1mV,电流设置分辨率为0.1mA.
回读准确度
回读准确度有时也称为仪表准确度。它决定了内部测量值与输出电压理论值的接近程度(在启用设置准确度之后)。像数字万用表那样,使用追溯性的参考标准测试回读准确度。回读准确度表示为:±(测量值的% + 偏移量)
回读分辨率
回读分辨率是电源内部测量的输出电压或电流的可分辨最小变化量。回读分辨率通常用绝对值表示,也可以用满量程的百分数表示。例如,吉时利2200-32-3的电压回读分辨率为1mV,电流设置分辨率为0.1mA.见图2.
图2 上方显示的最低有效位对应于吉时利2200系列仪器的1mV和0.1mA回读分辨率。
下方显示的最低有效位对应于设置分辨率
用4线连接电源与DUT,一组测试线传送输出电流,另一组测试线被电源用于在DUT端直接测量电压,如图3所示。电源内部感测线连接至高阻抗电表电路;因此,测试线电流接近于零,基本上消除了测试线压降。通过增大输出电压来补偿传送电流至DUT的源测试线压降,电源维持了感测线上的预计输出电压。
图3 远端感测通过分隔源电流与感测电路消除了测试线电阻效应,源调节可以保持负载两端的规定电压
长期来看,电源由于老化,其性能不可避免地降低。通过定期验证和仪器校准可以管理长期稳定性问题。吉时利电源的校准周期为一年。
负载调整率可以用几种方法规定。例如,电压调整率可以表示为每安培电流的电压变化。但是,包括吉时利在内的大多数电源制造商将负载调整率解释为在非调节参数出现显着变化时的输出准确度。这种熟悉的格式方便理解并且便于通过测试验证:±(设置值的% + 偏移量)
吉时利负载调整率指标通过设为全量程输出的调节变量验证。非调节变量可以在0~98%变化,并对照相应指标检查输出。以吉时利2200-32-3电源为例,输出电压负载调整率指标为所选输出电压的±0.01%加2mV,所以在全额定输出为32V时,即便负载电流从零到变至略低于3A(仪器的最大额定电流)时,输出仍将保持在±5.2mV以内。CC模式的负载调整率定义类似于CV模式的线路调整率。电流负载调整率描述了电源输出电流对负载阻抗阶跃变化的响应。
在实验室条件下用稳定的交流线电压测试一小段时间可以忽略线路调整率。但是,如果在工作环境下交流线电压容易受扰动或在较长时间内进行测试,那么线路调整率是一个关键的考虑因素。
电压线路调整率可以规定为直流输出电压变化量与交流线电压(有效值)和频率变化量的比值。然而,为了与大多数测试设备指标保持一致,制造商通常将线路调整率表示为输出相对于全量程的有效交流线路参数的不确定性。这里给出了最差情况并定义为:±(设置值的% + 偏移量)
例如,吉时利2200-32-3电源的电压线路调整度率指标为±(0.01% + 1mV)。因此,当2200-32-3设为32VDC输出时,即使交流源电压在整个允许范围内变化,输出都将保持在32V(0.01% + 1mV)= 4.2mV.如图4所示。
电流负载调整率是一个类似的指标。除了说明输出随交流源变化的电压容许变化量以外,电流负载调整率还说明了随交流源变化的电流容许变化量。通常,该指标在交流源电压和频率的整个范围内都有效。
图4 示波器屏幕显示了当负载电流从0A变至2.8A时,吉时利2200-32-3的输出电压调节。在整个变化过程中,输出电压保持稳定
图5 此简化示意图说明了周期(纹波)和随机(噪声)失真的概念
图6 使用1X探头和约7MHz带宽测量噪声的同时电源提供全额定电流
表1 吉时利2200-32-3电源的电压瞬态响应指标
稳定至最终值的75mV以内的时间
负载从0.1A变至1A<400μs
设置从1V变至11V,10Ω负载<35ms
设置从11V变至1V,10Ω负载<35ms
定期检验性能对于确保电源工作在制造商规定的指标范围内非常重要。吉时利电源的建议校准周期为一年。可以在每台仪器电源的附带文件中找到性能指标的详细说明以及性能验证程序。大多数指标的测试作为制造过程的一部分以及例行维护过程中性能验证的一部分。对于每一台电源,吉时利都采用追溯性的标准验证并提供可选的质量测试数据。
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