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電源的額定值、物理尺寸和外形尺寸范圍極其廣泛。盡管通常會在尺寸、效率和成本方面進行優化（尤其是在可穿戴設備等功耗受限的應用中），但在一些應用中，電源單元 (PSU) 在完成部署并投入使用后，需要對其參數進行調整。對于臺式或自動測試應用和環境中的 PSU 尤其如此。 因此越來越多的電源開始提供不同程度的現場靈活性，范圍涵蓋用于效率優化的固件無線更新到常開的遠程監測和控制，以確保準確性、可擴展性、冗余性和有效的電源陣列負載平衡。可編程特性可以加快產品設計和評估速度，增強系統功能并提供所需的靈活性。但是，在可使用的與日俱增的可編程選項列表中，有幾項特別引人注目。 本文將探討最新一代高級 PSU 的作用、功能和特性，這些 PSU 采用獨立外殼，遠超一般獨立、精確且響應迅速的自足式電源。然后，我們以 XP Power 的產品為例，重點介紹最新一代完全聯網、高度可編程的 PSU 的特性、功能和后續優勢。 PSU 與開放式電源比較 在許多設計中，AC/DC 電源被構建或擠壓在主 PC 板上或塞入某個角落的一塊單獨電路板上。但在另一些產品中，則需要一個獨特、獨立和隔離的電源單元。這些電源有時被稱為“機架式”或“開放式”電源，是自足式電源，并且滿足必要的封裝、性能和法規要求。其中許多電源可從多個供應商處獲取，作為外形、配合和功能方面的第二來源或替代來源。 這些電源以 XP Power 的 UCH600PS36 等單元為代表，該單元是 36 伏、4.16 安 (A)、600 瓦 (W) 開放式電源，沒有用戶界面，因為不需要（圖 1）。相反，它們被嵌入到最終產品中，一旦投入使用，用戶便無法進行調整。它們只有極少的輸入/輸出連接：交流輸入、直流輸出，或許還有遠程檢測引線。 
圖 1：UCH600PS36 等開放式電源適合嵌入到最終產品中，最終用戶無需訪問或調整其各種性能參數。（圖片來源：XP Power） 相比之下，工程項目需要的電源應具有靈活、易于使用的界面，該界面通過開關、旋鈕、軟按鈕、量表、指示器甚至字母數字讀數顯示器的組合來實現。這些完全可調的 PSU 旨在實現便捷的參數調整，包括輸出電壓、最大電流和電壓/電流限制等諸多因素。它們用于滿足工程團隊在設計、原型評估和調試階段的需求，通常被稱為“臺式”或“實驗室”電源。為了方便和整潔起見，它們還可作為自動測試設備 (ATE) 或其他長期安裝的一部分，按固定的半永久配置進行機架安裝（圖 2）。
圖 2：“臺式”PSU 在工程師的工作臺上使用，但它們通常也與其他測試裝置一起安裝在機架中，以提供完整的套裝儀器裝置。（圖片來源：UKARANet，英國業余無線電天文學網） 當今的 PSU 與幾十年前的 PSU 相比，盡管基本功能相同，但需要滿足的需求比后者要復雜得多。除了基本的電壓和電流讀數以及手動調整輸出電壓值之外，PSU 還必須啟用其他手動控制的功能并提供遠程訪問。 像 XP Power 的 PLS600 系列可編程直流電源這樣的 PSU 就可以做到這一點，通過便捷、有序的前面板控制裝置以及各種后面板連接選擇（包括 USB、以太網和模擬接口）來調整操作參數（圖 3）。此外，PSU 必須監視自身情況和負載情況，并根據需要以及在出現例外情況時直接通過遠程方式報告該情況，以保持對設備自身以及更大系統的掌控。
圖 3：PLS600 系列單元的前面板（上圖）功能齊全且整齊有序，同時支持強大的用戶訪問和監視功能；背面板（下圖）具有交流電源線以及用于 USB、以太網和模擬接口的連接器。（圖片來源：XP Power） 前面板的功能（如圖 3 中的 1 到 7 所示）在用戶手冊中提供了更詳細的描述，按照升序依次為：電源開/關；電流設置；電壓設置；輸出開/關；顯示器；以及電源輸出引線插座。 PLS600 系列由五個直流輸出單元組成，從 30 伏 PLS6003033 DC 開始，最高達 400 伏 PLS6004002.5，所有單元的最大額定功率均為 600 瓦。 完全可編程性帶來額外的好處 聲稱某個 PSU“可編程”是一回事，但重要的是，弄清這對于現代 PSU 意味著什么。首先，該 PSU 必須具有用戶可設置的輸出電壓，而不是固定輸出電壓；在許多情況下，該 PSU 還可以用作用戶可設置的電流源。為方便起見，可根據需要從前面板輕松調整這些主要參數的值。與數字讀數搭配使用時，旋轉式控制裝置依然是快速設置、調整或“微調”目標值設置的最舒適的方式。 用戶可以設置的其他參數包括重要的過壓保護 (OVP)、過流保護 (OCP)，甚至包括過功率保護 (OPP) 值。對于那些“擔心”的不是 PLS600 PSU 的 600 瓦功率限制，而是允許負載從電源獲取的最大功率量（電壓 × 電流）以防止損壞電源的應用而言，OPP 值非常有用。 通常，在承受時間壓力以及調試和測試壓力的情況下對電壓、電流、功率或其他設定點做出各種調整之后，用戶可能疏略了記錄他們為這些因素實際設置的值。由于此原因及其他原因，PLS600 PSU 允許快速顯示參數值。此外，參數值都被存儲在內部，因此上電時無需重新輸入。 這種基本的可編程性只是名副其實的多功能 PSU 的第一個方面。對于許多測試和評估情況，需要讓電源執行與網絡連接無關的預定義實時“腳本”。為此，PLS600 系列提供了先進的集成腳本功能，可允許用戶編寫自定義程序來生成用戶定義的輸出配置文件，以滿足各種獨特的要求，并將其上傳到電源以根據命令執行。 這使得電源可以在更大的系統中扮演高級角色，并因此成為產品性能序列或高級生命周期測試（如高加速壽命測試 (HALT) 等）中的有效元素，而且可能有助于發現與最終產品電源子系統特性有關的細微異常。 從簡單的手動操作到高級聯網設置的連接和控制能力 盡管臺式 PSU 應具有用于基本訪問和即時訪問的前面板、用戶友好的手動操作控制裝置，但僅僅這些對于高效的系統級電源而言還不夠。除了便捷的旋轉式電壓和電流調整控制裝置外，PLS600 系列還支持通過 USB、以太網和模擬控制輸入進行遠程控制。 模擬控制看似不合時宜，但它允許直接、輕松地設置基本的遠程控制方案，而且在某些傳統情況下可能需要使用模擬控制。請注意，臺式儀器的使用壽命通常較長，有 IEEE-488 通用接口總線 (GPIB) 單元仍在使用中。當在閉環反饋配置中使用電源時，模擬控制也很方便，這種情況下，必須根據某個檢測的或推導的電壓來實時調整電源電壓。 除了基本的模擬控制之外，所有 PLS600 PSU 都通過了 LAN 儀器擴展 (LXI) 認證，因而符合基于 LAN 的儀器的互操作性標準。標準 LabVIEW 和可互換虛擬儀器 (IVI) 驅動程序可與所有標準軟件配合使用。這些單元支持用于可編程儀器的標準命令 (SCPI)，還支持用戶開發的基于 SCPI 的軟件。USB 和以太網輸入符合 SCPI 規范，并且可在 National Instruments 網站上獲取 LabVIEW 驅動程序。為確保設置和回讀數值的可信度，PSU 包括了嵌入式 12 位數模和模數轉換器，用于準確測量和報告電壓和電流。 將遠程聯網設置與手動更改值或在程序控制下更改值的功能以及有關電源狀態和警報狀況的報告相結合，可帶來極大的便利。它減少了工程師“照看”被測設備測試以及在發生異常時查找和關聯異常的需要。將其與具有深存儲和合適觸發器的數據記錄儀或數字示波器等儀器結合使用時，適合執行長期測試，然后下載結果以進行更全面的分析。 解決遠程檢測和校準問題 所有載流引線和電源軌都受到了電流電阻 (IR) 電壓 (V) 下降的影響。根據歐姆定律 (V = IR) 進行基本計算，表明了該問題的嚴重性。結果，在負載上傳遞的電壓很容易低于其在電源上的標稱值，幅度從幾毫伏到幾十甚至幾百毫伏不等。 解決該壓降的一種方法是，通過將 PSU 處的標稱電壓增加等于壓降的數量來進行補償，但這被認為是一種糟糕的做法，因為 IR 壓降是所消耗電流的函數，因而存在波動。于是有時，當電流和導致的 IR 下降較小時，負載處的電壓實際上可能過高。 鑒于此，通常采用的解決方案是通過在開爾文檢測配置增加兩條額外的接線來使用遠程檢測。在此配置中，將檢測負載上的實際電壓并將其反饋到電源以動態調整輸出，從而使負載上的電壓始終具有所需的值。這種廣泛使用的解決方案已成為公認的標準做法，而且通常效果很好，但也確實存在一些缺點。 首先，需要兩條額外的引線，這看似微不足道，但會增加工作臺的混亂。其次，在負載處增加兩個額外的低電阻觸點未必那么容易，尤其當負載觸點的設計無法適應這些觸點時。所有試圖將 24 AWG 檢測引線連接到專為 14/12/10 AWG 載流電源軌而設計的螺絲或其他端子的人，都遭遇過困難。 最后，這兩條額外的檢測引線可能看起來不過是無源電線，但實際并非如此。從電氣角度講，它們形成了一個放大器的反饋回路，而該放大器恰好是一個電源。任何時候只要存在這樣的反饋回路，就有可能因為未受約束且通常定義不當的回路而出現噪聲拾取甚至振蕩。因此，雖然遠程檢測技術可以解決 IR 壓降的問題，但也可能導致電源輸出振蕩的更大隱患。可能需要更多正確類型的濾波，但這類濾波也可能改變電源的動態瞬態響應并降低相應的性能。 遠程檢測——無 IR 壓降感應引線 為避免因遠程檢測帶來的機械、電氣甚至美觀性問題，PLS600 系列提供了一種替代方法，使用專有技術對這些電阻進行數字補償，而無需任何額外的電線。簡而言之，用戶從前面板激活遠程檢測模式，將負載處的負載電線短路，并將 PSU 電流設置為至少與負載預期獲取的電流一樣大（圖 4）。
圖 4：XP Power 的 PLS600 PSU 支持獨特的 IR 壓降預補償方案，無需額外的遠程檢測引線。（圖片來源：XP Power） PSU 測量負載電線中的輸出電流和總壓降，然后計算負載電線的電阻。接下來，PSU 可以實時調整其電源端子上的輸出電壓，以校正負載電纜中的壓降。于是，在實際安裝中不再需要單獨的檢測引線。 高級 PSU 還提供了校準靈活性 盡管類似 PLS600 系列這樣的 PSU 正常情況下不需要校準，但在某些情況下，需要對單元的輸出電壓性能進行驗證，以及需要進行一些校準調整。要校準輸出電壓和電流以及顯示的電壓和電流，PLS600 系列需要經校準的電壓計和經校準的分流器。 將 PSU 設置為校準模式，并且僅在連接了電壓計的情況下將其輸出保持開放狀態。簡單地說，PSU 的顯示值與電壓計的值匹配，并且按 PSU 面板按鈕來寄存這些值。下一步，將分流器跨接到輸出端，并將電壓計連接到分流器。然后調整 PSU 輸出，直到外部電壓計的讀數剛好為電源顯示屏上顯示的電流為止（圖 5）。請注意，根據歐姆定律，量表上顯示的電壓同樣取決于所用分流器的值。
圖 5：使用一個簡單的兩步過程來校準 XP Power 的 PSU：先進行開路輸出電壓測量，然后再測量經過校準的負載分流器兩端的電壓。（圖片來源：XP Power） 如何獲得更多電壓或電流 盡管 PLS600 系列中的 PSU 提供了額定電壓和電流組合，但毫無疑問，某些情況下需要更多地使用其中一個或兩個參數。一種顯而易見的解決方案是使用更大的電源，但存在增加成本的缺點。由于此需求可能僅在很短的時間內存在，因此難以證明它的合理性。另一種替代方法是考慮將兩個或更多個 PLS600 PSU 串聯以獲取更多的電壓，或并聯以獲取更多的電流。 但是，獲取更大的電壓或電流不僅僅是串聯或并聯兩個電源的問題。當以這種方式組合兩個 PSU 時，可能會發生以下三種情況之一： · 該配置無法提供所需的輸出，失去控制，而且電源可能遭到損壞 · 該配置在一定程度上可以工作，但達不到所需的性能、精度、一致性或可信度 · 由于運氣（通常并非良好的工程策略）或得益于精心的設計，該配置可正常工作 結果 1 和結果 2 既不可取，也不可接受，但存在一些方法，利用一些經過精心挑選的外部元器件（如分流電阻器或隔離二極管等），在一定程度上彌補它們的缺點（圖 6）。類似的方案也用于電壓配對。即使配置可行，總體性能也會受制于兩個電源中較小電源的規格以及所添加元器件之間的不匹配，并且會由于這些元器件而導致性能下降。
圖 6：可以使用諸如分流電阻器（左圖）或隔離二極管（右圖）之類的外部元器件將兩個 PSU 并聯，以實現額外的電流能力，但這樣做會降低性能。（圖片來源：XP Power） 因此，總體思路是，在應用中使用額定值符合應用要求的單個電源，與并聯或串聯使用兩個或更多個電源相比，導致的問題要少得多。但如果這些電源是專為串聯或并聯操作而設計，那么“正常工作”的目標結果 3 就會發生，PLS600 系列 PSU 便是這種情況。 要以并聯或串聯方式放置 PLS600 PSU，必須將其中一個電源設置為主設備，將其余電源設置為從設備。最多可以串聯兩個電源（并且它們必須相同）以升高電壓，最多可以并聯四個相同的單元以增大電流。主設備和從設備的設置和指定通過前面板控制裝置完成，但必須理解的一點是，出于安全和性能方面的原因，存在一些最大限制。 利用機架和堆疊提高便利性、規范性和效率 就工程師工作臺的視覺外觀而言，有的相當整潔，有的則難以置信地混亂。現狀是，許多工作臺一開始整潔有序，但往往逐漸變得“雜亂無章”，而單個或多個 PSU 及其引線增加了這種混亂程度。其他情況下，出于以下幾種原因之一，PSU 會作為采用機架式安裝的儀器組件的一部分提供： · 它是一個獨立 ATE 或長期評估項目的一部分 · 通過確保將所有組件放置在預期位置并且所有電纜都已布置到位并消除應力，來提供系統完整性并增強可靠性 · 需要運輸并最終要重新安裝 出于以上原因，XP Power 為 PLS600 PSU 提供了 PLS600 機架安裝套件（圖 7）。
圖 7：XP Power PLS600 機架安裝套件簡化了標準機箱設備機架中的單個 PLS600 單元或并排單元對的安裝。（圖片來源：XP Power） 由于 PLS600 系列的所有成員都具有相同的外殼尺寸，因此該套件適用于所有成員。使用該套件安裝 PSU 是一項快速而簡單的任務，而且該套件允許將兩個 PSU 并排安裝。 結語 臺式電源單元在外形和功能上與嵌入式電源截然不同，會提供多個用戶控制或調整裝置。臺式或“實驗室”PSU 是用于原型開發、調試和測試以及固定位置試驗臺的必備工具。經過精心設計且功能豐富的實驗室 PSU，如 XP Power 的 PLS600 系列 PSU，不僅具有出色的性能，而且還具有高效、靈活地使用 PSU 所需的其他功能，包括便捷的前面板控制裝置、聯網訪問和腳本驅動的可編程性等。 來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
