《電子技術應用》
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在測試系統中如何選擇DC系統電源
摘要: 通常認為,測試系統要求使用線性電源,因為線性電源具有輸出噪聲低、快輸出響應等優勢。但是,精心設計的開關電源同樣會實現優異的性能,可以與優秀的線性電源相媲美。電子產品的競爭格局正在不斷變化,特別是通信和信息系統,這需要更高的DC功率和電流為其組件和器件供電。
Abstract:
Key words :

  通常認為,測試系統要求使用線性電源,因為線性電源具有輸出噪聲低、快輸出響應等優勢。但是,精心設計的開關電源同樣會實現優異的性能,可以與優秀的線性電源相媲美。電子產品的競爭格局正在不斷變化,特別是通信和信息系統,這需要更高的DC功率和電流為其組件和器件供電。在選擇系統DC電源時,更高的功率要求給測試帶來了新的挑戰。對更高功率的應用,由于體積、供貨時間和成本,開關系統DC電源通常是首選。新一代開關系統DC電源可以達到線性電源的性能,同時提供更高的功率密度。在許多情況下,這可能是更好的整體選擇,它可以節約機架空間,降低成本,同時滿足性能需求。因此,根據要求、而不是根據電源的工作類型來選擇電源,是最明智的方法。

 

  線性DC電源結構
  如圖1所示,線性DC電源的概念和基本實現方式相對來說都非常簡單:
  1. 變壓器把AC電壓轉換成與要求的最大DC輸出電壓相一致的值。
  2. AC電壓被整流為DC電壓。
  3. 大功率電解電容器濾波掉疊加在未穩壓的DC電壓上的大部分AC紋波電壓。
  4. 串聯的功率晶體管控制著未穩壓的DC電壓和穩壓的DC輸出電壓之差。為正確穩壓,在串聯的晶體管中必需保持一些電壓。
  5. 誤差信號放大器比較輸出電壓與參考電壓,在期望的設置上穩定輸出。
  6. 最后,輸出濾波電容器進一步降低AC輸出噪聲和紋波,降低輸出阻抗,實現更加理想的純電壓源特點。

 

基本線性DC電源結構

 

  線性DC電源設計已經非常成熟,現在主要是逐漸增加效率和改善熱量管理。在正確實現時,其簡明配置具有以下的優點:對AC源和負載的變化具有快速的輸出瞬態響應;低輸出噪聲和紋波;低電流共模噪聲;在較低輸出功率上非常經濟 (在大約500W以下)
  它存在的缺點主要有:功率效率差,在全部輸出電壓時一般不到60%,在更低的輸出電壓設置上,效率會進一步下降;物理尺寸大,重量高;在較高的功率上成本高 (在大約500W以上)。

 

表1.傳統DC電源和新一代DC電源性能比較。表2.共模噪聲電流特點

 

  傳統的開關DC電源結構
  圖2所示的基本開關電源要復雜得多:
  1,首先對AC輸入進行整流和濾波,提供未穩壓的高壓DC,為下一步DC到DC轉換電路供電;
  2,功率晶體管開關將直流轉換為20 kHz ~ 50 kHz高壓高頻 AC脈沖;
  3,根據輸出電壓的要求選擇適當線匝比率的AC脈沖電壓變壓器;
  4,這個變壓器將AC脈沖電壓整流成脈沖 DC電壓;
  5,LC (電感器/電容器)輸出濾波器把脈沖DC電壓平均成電源輸出上的連續DC電壓;
  6,與線性電源一樣,誤差信號放大器比較DC輸出電壓與參考電壓,在期望的設置上穩定輸出;
  7,調制器電路把誤差信號放大器信號轉換成高頻脈寬調制的波形,驅動開關電源晶體管。
  傳統開關DC電源所具有的優點如下:功率轉換效率高,一般達到80% ;對于較高功率可以做得體積小,重量輕;成本比較低,特別是在較高功率時。
  傳統開關DC電源存在的缺點是:高輸出噪聲和紋波;高共模電流噪聲;對AC源和DC輸出負載變化響應慢。
  傳統開關DC電源性能在很大程度上是針對成本、效率和體積優化的結果,而這幾個方面正是線性 DC電源所缺乏的。在正確優化時,開關 DC電源可以與線性DC電源有效地展開競爭。

 

基本開關DC電源電路

 

  更多的功率和電流
  新一代通信和數字信息系統所需的DC功率和電流一直在呈指數級提高。與此相適應,分布式功率結構(DPAs)也在不斷發展。這推動著開關電源設計的性能和效率不斷提高,而且要求更高的功率,從而給測試設備市場帶來了技術的改進,以便為這些市場上的供電設備和測試設備提供支持。
  這些系統中的許多元器件和組件都要求高達幾千瓦的DC功率,如基站RF功放和海量數據存儲設備。許多設備從24V或48V DPA總線供電。它們可能采用DC/DC轉換器,創建較低的本地總線電壓。負荷點(POL)穩壓器為最終負荷提供最終電壓電平,而不管其是微處理器、數字電路、模擬電路還是其它器件。POL穩壓器可以量身定制,提供特定負荷所需的性能。
  為適應這些市場趨勢,測試設備供應商現在針對這些市場為測試設備提供了功率更高、密度更高的系統DC電源。其中一個實例是Agilent N5700 DC電源家族。這些電源在真正的1U高的全機架寬度封裝中,提供了750W或1,500W的輸出功率及6V ~ 600V輸出。多臺設備可以連接起來,實現更高的功率。這些功能使其特別適合高功率測試應用,包括測試基站功放和數據存儲系統,同時最大限度地降低測試機架空間要求。
 
  高性能不再是線性電源專利
  通過采用POL穩壓器,DPA還在需要的地方提供了更高的性能,如為靈敏的模擬和混合信號組件供電。測試設備供應商再次作出反應。更高的開關頻率、基于交替開關的結構、完善的濾波技術及精心設計,創造出能夠達到線性電源性 能的新一代程控測試用系統DC電源。其中一個實例是Agilent N6700模塊化電源系統。其密度約比同類的線性電源高出三倍,擁有最高4個輸出,在1U高的封裝中提供總計高達400瓦的輸出功率。同時,其輸出噪聲和瞬態響應與線性電源相當,如表1所示。它特別適合許多低噪聲測試應用,如模擬PCB測試,而過去只有線性程控DC電源才被視為可以接受的電源。

 

  對共模噪聲電流的考慮
  在共模噪聲電流性能上,線性DC電源一般要優于開關 DC電源。這在某些對噪聲敏感的應用中可能會成為問題。如圖3所示,共模噪聲電流是從輸出端與地之間的電流噪聲信號。相對較高的相關阻抗,共模噪聲本身就是電流信號。

 

共模噪聲電流和通路

 

  在傳統開關DC電源中,共模噪聲電流通常要高得多。開關晶體管的高壓轉換(dV/dt)在電容上耦合到輸出,生成高達幾百mA的峰值高頻電流。相比之下,正確設計的線性DC電源通常只會生成幾微安的峰值共模噪聲電流。值得一提的是,如果設計不慎,即使線性DC電源仍能夠生成幾mA的峰值共模噪聲電流。
  高頻峰值電壓疊加在DC輸出電壓上時,共模噪聲電流可能會成為問題。這取決于DUT通路中的電流幅度和阻抗不平衡。如果足夠大,這要比常模(差模)噪聲電壓更加麻煩。一般來說,微安級的線性DC電源可以忽略不計,而傳統開關DC電源幾百毫安的電流則可能會引起關注。由于共模噪聲電流經常被錯誤理解或忽略,人們可能會留下錯誤的印象,即開關DC電源有高共模噪聲電流,從而認為所有開關 DC電源都不適合進行測試。
  但事實證明,共模噪聲電流通常對大多數應用并不是問題,大多數應用對噪聲相對并不敏感。例如,這里討論的通信和數字信息系統使用的器件在實際使用時就通過開關 DC電源供電。同樣,數字電路在電路板上生成相當大的噪聲,本身就有明顯的噪聲余量。
  在共模噪聲電流是問題的情況下,例如,與某些靈敏的模擬電路一樣(如雷達中),增加濾波技術是一個選擇。然后,測試工程師會利用開關 DC電源提供的優勢。優秀的開關 DC電源可以在測試夾具上采用相應的低通濾波技術,能夠衰減共模噪聲電流中存在的高頻諧波。這些濾波技術還可以有效用于其它高頻噪聲上,包括AC源EMI和接地環路拾取噪聲。不管采用哪種電源結構,都可能會存在這些其它噪聲。
  表2匯總了各種DC電源典型的共模噪聲電流性能。通過認真設計電源,可以最大限度地降低共模噪聲電流,使系統開關DC電源適合低噪聲測試的應用。例如,Agilent N6762A DC電源模塊就是專門設計的開關 DC電源,其峰值共模噪聲電流不到2毫安。由于其更接近于線性電源的性能,而不是傳統開關電源的性能,因此不管用于什么應用,其都不可能成為問題。

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