应用台式电源的可编程性、网络和无引线远程检测特性
作者：Bill Schweber
电源的额定值、物理尺寸和外形尺寸范围极其广泛。尽管通常会在尺寸、效率和成本方面进行优化（尤其是在可穿戴设备等功耗受限的应用中），但在一些应用中，电源单元 (PSU) 在完成部署并投入使用后，需要对其参数进行调整。对于台式或自动测试应用和环境中的 PSU 尤其如此。
因此越来越多的电源开始提供不同程度的现场灵活性，范围涵盖用于效率优化的固件无线更新到常开的远程监测和控制，以确保准确性、可扩展性、冗余性和有效的电源阵列负载平衡。可编程特性可以加快产品设计和评估速度，增强系统功能并提供所需的灵活性。但是，在可使用的与日俱增的可编程选项列表中，有几项特别引人注目。
本文将探讨最新一代高级 PSU 的作用、功能和特性，这些 PSU 采用独立外壳，远超一般独立、精确且响应迅速的自足式电源。然后，我们以 XP Power 的产品为例，重点介绍最新一代完全联网、高度可编程的 PSU 的特性、功能和后续优势。
PSU 与开放式电源比较
在许多设计中，AC/DC 电源被构建或挤压在主 PC 板上或塞入某个角落的一块单独电路板上。但在另一些产品中，则需要一个独特、独立和隔离的电源单元。这些电源有时被称为“机架式”或“开放式”电源，是自足式电源，并且满足必要的封装、性能和法规要求。其中许多电源可从多个供应商处获取，作为外形、配合和功能方面的第二来源或替代来源。
这些电源以 XP Power 的 UCH600PS36 等单元为代表，该单元是 36 伏、4.16 安 (A)、600 瓦 (W) 开放式电源，没有用户界面，因为不需要（图 1）。相反，它们被嵌入到最终产品中，一旦投入使用，用户便无法进行调整。它们只有极少的输入/输出连接：交流输入、直流输出，或许还有远程检测引线。
图 1：UCH600PS36 等开放式电源适合嵌入到最终产品中，最终用户无需访问或调整其各种性能参数。（图片来源：XP Power）
相比之下，工程项目需要的电源应具有灵活、易于使用的界面，该界面通过开关、旋钮、软按钮、量表、指示器甚至字母数字读数显示器的组合来实现。这些完全可调的 PSU 旨在实现便捷的参数调整，包括输出电压、最大电流和电压/电流限制等诸多因素。它们用于满足工程团队在设计、原型评估和调试阶段的需求，通常被称为“台式”或“实验室”电源。为了方便和整洁起见，它们还可作为自动测试设备 (ATE) 或其他长期安装的一部分，按固定的半永久配置进行机架安装（图 2）。
图 2：“台式”PSU 在工程师的工作台上使用，但它们通常也与其他测试装置一起安装在机架中，以提供完整的套装仪器装置。（图片来源：UKARANet，英国业余无线电天文学网）
当今的 PSU 与几十年前的 PSU 相比，尽管基本功能相同，但需要满足的需求比后者要复杂得多。除了基本的电压和电流读数以及手动调整输出电压值之外，PSU 还必须启用其他手动控制的功能并提供远程访问。
像 XP Power 的 PLS600 系列可编程直流电源这样的 PSU 就可以做到这一点，通过便捷、有序的前面板控制装置以及各种后面板连接选择（包括 USB、以太网和模拟接口）来调整操作参数（图 3）。此外，PSU 必须监视自身情况和负载情况，并根据需要以及在出现例外情况时直接通过远程方式报告该情况，以保持对设备自身以及更大系统的掌控。
图 3：PLS600 系列单元的前面板（上图）功能齐全且整齐有序，同时支持强大的用户访问和监视功能；背面板（下图）具有交流电源线以及用于 USB、以太网和模拟接口的连接器。（图片来源：XP Power）
前面板的功能（如图 3 中的 1 到 7 所示）在用户手册中提供了更详细的描述，按照升序依次为：电源开/关；电流设置；电压设置；输出开/关；显示器；以及电源输出引线插座。
PLS600 系列由五个直流输出单元组成，从 30 伏 PLS6003033 DC 开始，最高达 400 伏 PLS6004002.5，所有单元的最大额定功率均为 600 瓦。
完全可编程性带来额外的好处
声称某个 PSU“可编程”是一回事，但重要的是，弄清这对于现代 PSU 意味着什么。首先，该 PSU 必须具有用户可设置的输出电压，而不是固定输出电压；在许多情况下，该 PSU 还可以用作用户可设置的电流源。为方便起见，可根据需要从前面板轻松调整这些主要参数的值。与数字读数搭配使用时，旋转式控制装置依然是快速设置、调整或“微调”目标值设置的最舒适的方式。
用户可以设置的其他参数包括重要的过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP)，甚至包括过功率保护 (OPP) 值。对于那些“担心”的不是 PLS600 PSU 的 600 瓦功率限制，而是允许负载从电源获取的最大功率量（电压 × 电流）以防止损坏电源的应用而言，OPP 值非常有用。
通常，在承受时间压力以及调试和测试压力的情况下对电压、电流、功率或其他设定点做出各种调整之后，用户可能疏略了记录他们为这些因素实际设置的值。由于此原因及其他原因，PLS600 PSU 允许快速显示参数值。此外，参数值都被存储在内部，因此上电时无需重新输入。
这种基本的可编程性只是名副其实的多功能 PSU 的第一个方面。对于许多测试和评估情况，需要让电源执行与网络连接无关的预定义实时“脚本”。为此，PLS600 系列提供了先进的集成脚本功能，可允许用户编写自定义程序来生成用户定义的输出配置文件，以满足各种独特的要求，并将其上传到电源以根据命令执行。
这使得电源可以在更大的系统中扮演高级角色，并因此成为产品性能序列或高级生命周期测试（如高加速寿命测试 (HALT) 等）中的有效元素，而且可能有助于发现与最终产品电源子系统特性有关的细微异常。
从简单的手动操作到高级联网设置的连接和控制能力
尽管台式 PSU 应具有用于基本访问和即时访问的前面板、用户友好的手动操作控制装置，但仅仅这些对于高效的系统级电源而言还不够。除了便捷的旋转式电压和电流调整控制装置外，PLS600 系列还支持通过 USB、以太网和模拟控制输入进行远程控制。
模拟控制看似不合时宜，但它允许直接、轻松地设置基本的远程控制方案，而且在某些传统情况下可能需要使用模拟控制。请注意，台式仪器的使用寿命通常较长，有 IEEE-488 通用接口总线 (GPIB) 单元仍在使用中。当在闭环反馈配置中使用电源时，模拟控制也很方便，这种情况下，必须根据某个检测的或推导的电压来实时调整电源电压。
除了基本的模拟控制之外，所有 PLS600 PSU 都通过了 LAN 仪器扩展 (LXI) 认证，因而符合基于 LAN 的仪器的互操作性标准。标准 LabVIEW 和可互换虚拟仪器 (IVI) 驱动程序可与所有标准软件配合使用。这些单元支持用于可编程仪器的标准命令 (SCPI)，还支持用户开发的基于 SCPI 的软件。USB 和以太网输入符合 SCPI 规范，并且可在 National Instruments 网站上获取 LabVIEW 驱动程序。为确保设置和回读数值的可信度，PSU 包括了嵌入式 12 位数模和模数转换器，用于准确测量和报告电压和电流。
将远程联网设置与手动更改值或在程序控制下更改值的功能以及有关电源状态和警报状况的报告相结合，可带来极大的便利。它减少了工程师“照看”被测设备测试以及在发生异常时查找和关联异常的需要。将其与具有深存储和合适触发器的数据记录仪或数字示波器等仪器结合使用时，适合执行长期测试，然后下载结果以进行更全面的分析。
解决远程检测和校准问题
所有载流引线和电源轨都受到了电流电阻 (IR) 电压 (V) 下降的影响。根据欧姆定律 (V = IR) 进行基本计算，表明了该问题的严重性。结果，在负载上传递的电压很容易低于其在电源上的标称值，幅度从几毫伏到几十甚至几百毫伏不等。
解决该压降的一种方法是，通过将 PSU 处的标称电压增加等于压降的数量来进行补偿，但这被认为是一种糟糕的做法，因为 IR 压降是所消耗电流的函数，因而存在波动。于是有时，当电流和导致的 IR 下降较小时，负载处的电压实际上可能过高。
鉴于此，通常采用的解决方案是通过在开尔文检测配置增加两条额外的接线来使用远程检测。在此配置中，将检测负载上的实际电压并将其反馈到电源以动态调整输出，从而使负载上的电压始终具有所需的值。这种广泛使用的解决方案已成为公认的标准做法，而且通常效果很好，但也确实存在一些缺点。
首先，需要两条额外的引线，这看似微不足道，但会增加工作台的混乱。其次，在负载处增加两个额外的低电阻触点未必那么容易，尤其当负载触点的设计无法适应这些触点时。所有试图将 24 AWG 检测引线连接到专为 14/12/10 AWG 载流电源轨而设计的螺丝或其他端子的人，都遭遇过困难。
最后，这两条额外的检测引线可能看起来不过是无源电线，但实际并非如此。从电气角度讲，它们形成了一个放大器的反馈回路，而该放大器恰好是一个电源。任何时候只要存在这样的反馈回路，就有可能因为未受约束且通常定义不当的回路而出现噪声拾取甚至振荡。因此，虽然远程检测技术可以解决 IR 压降的问题，但也可能导致电源输出振荡的更大隐患。可能需要更多正确类型的滤波，但这类滤波也可能改变电源的动态瞬态响应并降低相应的性能。
远程检测——无 IR 压降感应引线
为避免因远程检测带来的机械、电气甚至美观性问题，PLS600 系列提供了一种替代方法，使用专有技术对这些电阻进行数字补偿，而无需任何额外的电线。简而言之，用户从前面板激活远程检测模式，将负载处的负载电线短路，并将 PSU 电流设置为至少与负载预期获取的电流一样大（图 4）。
图 4：XP Power 的 PLS600 PSU 支持独特的 IR 压降预补偿方案，无需额外的远程检测引线。（图片来源：XP Power）
PSU 测量负载电线中的输出电流和总压降，然后计算负载电线的电阻。接下来，PSU 可以实时调整其电源端子上的输出电压，以校正负载电缆中的压降。于是，在实际安装中不再需要单独的检测引线。
高级 PSU 还提供了校准灵活性
尽管类似 PLS600 系列这样的 PSU 正常情况下不需要校准，但在某些情况下，需要对单元的输出电压性能进行验证，以及需要进行一些校准调整。要校准输出电压和电流以及显示的电压和电流，PLS600 系列需要经校准的电压计和经校准的分流器。
将 PSU 设置为校准模式，并且仅在连接了电压计的情况下将其输出保持开放状态。简单地说，PSU 的显示值与电压计的值匹配，并且按 PSU 面板按钮来寄存这些值。下一步，将分流器跨接到输出端，并将电压计连接到分流器。然后调整 PSU 输出，直到外部电压计的读数刚好为电源显示屏上显示的电流为止（图 5）。请注意，根据欧姆定律，量表上显示的电压同样取决于所用分流器的值。
图 5：使用一个简单的两步过程来校准 XP Power 的 PSU：先进行开路输出电压测量，然后再测量经过校准的负载分流器两端的电压。（图片来源：XP Power）
如何获得更多电压或电流
尽管 PLS600 系列中的 PSU 提供了额定电压和电流组合，但毫无疑问，某些情况下需要更多地使用其中一个或两个参数。一种显而易见的解决方案是使用更大的电源，但存在增加成本的缺点。由于此需求可能仅在很短的时间内存在，因此难以证明它的合理性。另一种替代方法是考虑将两个或更多个 PLS600 PSU 串联以获取更多的电压，或并联以获取更多的电流。
但是，获取更大的电压或电流不仅仅是串联或并联两个电源的问题。当以这种方式组合两个 PSU 时，可能会发生以下三种情况之一：
· 该配置无法提供所需的输出，失去控制，而且电源可能遭到损坏
· 该配置在一定程度上可以工作，但达不到所需的性能、精度、一致性或可信度
· 由于运气（通常并非良好的工程策略）或得益于精心的设计，该配置可正常工作
结果 1 和结果 2 既不可取，也不可接受，但存在一些方法，利用一些经过精心挑选的外部元器件（如分流电阻器或隔离二极管等），在一定程度上弥补它们的缺点（图 6）。类似的方案也用于电压配对。即使配置可行，总体性能也会受制于两个电源中较小电源的规格以及所添加元器件之间的不匹配，并且会由于这些元器件而导致性能下降。
图 6：可以使用诸如分流电阻器（左图）或隔离二极管（右图）之类的外部元器件将两个 PSU 并联，以实现额外的电流能力，但这样做会降低性能。（图片来源：XP Power）
因此，总体思路是，在应用中使用额定值符合应用要求的单个电源，与并联或串联使用两个或更多个电源相比，导致的问题要少得多。但如果这些电源是专为串联或并联操作而设计，那么“正常工作”的目标结果 3 就会发生，PLS600 系列 PSU 便是这种情况。
要以并联或串联方式放置 PLS600 PSU，必须将其中一个电源设置为主设备，将其余电源设置为从设备。最多可以串联两个电源（并且它们必须相同）以升高电压，最多可以并联四个相同的单元以增大电流。主设备和从设备的设置和指定通过前面板控制装置完成，但必须理解的一点是，出于安全和性能方面的原因，存在一些最大限制。
利用机架和堆叠提高便利性、规范性和效率
就工程师工作台的视觉外观而言，有的相当整洁，有的则难以置信地混乱。现状是，许多工作台一开始整洁有序，但往往逐渐变得“杂乱无章”，而单个或多个 PSU 及其引线增加了这种混乱程度。其他情况下，出于以下几种原因之一，PSU 会作为采用机架式安装的仪器组件的一部分提供：
· 它是一个独立 ATE 或长期评估项目的一部分
· 通过确保将所有组件放置在预期位置并且所有电缆都已布置到位并消除应力，来提供系统完整性并增强可靠性
· 需要运输并最终要重新安装
出于以上原因，XP Power 为 PLS600 PSU 提供了 PLS600 机架安装套件（图 7）。
图 7：XP Power PLS600 机架安装套件简化了标准机箱设备机架中的单个 PLS600 单元或并排单元对的安装。（图片来源：XP Power）
由于 PLS600 系列的所有成员都具有相同的外壳尺寸，因此该套件适用于所有成员。使用该套件安装 PSU 是一项快速而简单的任务，而且该套件允许将两个 PSU 并排安装。
结语
台式电源单元在外形和功能上与嵌入式电源截然不同，会提供多个用户控制或调整装置。台式或“实验室”PSU 是用于原型开发、调试和测试以及固定位置试验台的必备工具。经过精心设计且功能丰富的实验室 PSU，如 XP Power 的 PLS600 系列 PSU，不仅具有出色的性能，而且还具有高效、灵活地使用 PSU 所需的其他功能，包括便捷的前面板控制装置、联网访问和脚本驱动的可编程性等。
