阿美特克程控電源部門

介紹

在當前流行的一些應用中，例如汽車電子、航空電子等，有相當多的測試場景要求直流供電能夠達到非常快速的電壓變化斜率。

一個典型的例子是要求輸出直流脈沖波形，我們就需要根據脈沖寬度來評估對于上升/下降時間的要求，例如對于脈寬在幾百毫秒的直流脈沖，可能若干毫秒的上升/下降時間是可以接受的，但如果脈寬在10毫秒，5毫秒，乃至1毫秒，那么上升沿和下降沿的時間就必須要大大小于1毫秒才能給出形態良好的脈沖波形。另一個例子是對于某些控制板進行供電時，如果電壓上升速度過慢，可能會影響到待測物的后續上電時序控制功能。

對于這些應用，我們需要根據實際的測試需求來定義電源的斜率要求。本文以AMETEK程控電源部的有代表性的電源系列為例，來說明程控電源的典型斜率表現。

直流電源的電壓斜率

直流程控電源的電壓上升斜率典型值在零點幾到幾伏每毫秒，有些高壓型號甚至能達到幾十伏每毫秒。對于同一系列的電源，一般而言高電壓的型號的電壓上升斜率要高于低電壓的型號，而電壓相同但功率不同的型號的電壓斜率則基本上沒有區別。

以AMETEK旗下的經典產品Sorensen SG系列為例，其80V的型號在67%帶載功率的情況下從0V上升至80V的典型時間是32毫秒（如圖2波形），而800V的型號在相同情況下從0V上升至800V的典型時間是約38毫秒（如圖3波形）。

換言之，同系列的電源中每個型號從0V上升至滿電壓輸出的所需時間往往是相近的，因此換算成電壓斜率后高電壓的型號就可能會比低電壓的型號要快很多。

圖2  SG 80V型號在67%帶載時的滿量程輸出電壓變化(上升)

這條規律對于電壓下降的情況基本上也可以適用，但是需要特別注意，直流電源的電壓下降速率還受到帶載情況的非常巨大的影響，同一機臺在空載和滿載時的電壓下降速率的差異就能達到10倍之巨。當電源滿載或者重載（輸出2/3以上額定電流值）輸出時，其電壓下降的速率還是比較快的，基本上和其上升速率在同樣的量級。但是當電源處于輕載乃至空載時，其電壓下降速率就要變慢很多。對于那些在輕載情況下有電壓下降斜率要求的測試場景，我們評估時務必要十分小心，不可簡單套用常規的重載情況下的斜率參數。當然我們也可以通過對于輕載并聯另一個專門的負載來增大電源的輸出電流以加快其電壓下降速率，在AMETEK程控電源部的產品目錄冊中就專門收錄了一篇文章介紹這種方法。

此外，我們還可以從以上的幾幅電壓變化軌跡圖上得到一些更多的信息，例如SG系列電源在電壓變化的過程中，起始時的變化斜率更快，到接近到目標值時會降低斜率，其即使發生了電壓滿刻度的變化，也基本沒有任何過沖。

交直流兩用電源的電壓斜率

一般交直流兩用電源本質上是按照交流電源來設計的，同時提供了直流工作模式。這樣的設計使得其能夠提供遠遠高于常規直流電源的電壓變化斜率，且不論是上升還是下降的斜率表現是一致的，受帶載的影響也很小。

圖5 AMETEK旗下的California Instruments CSW電源

以AMETEK旗下的California Instruments CSW系列電源為例，其官方規格的標稱電壓斜率高達6V每微秒，是常規直流電源的數千倍。當CSW工作于直流模式，基本上在其輸出量程內的任意電壓變化都可以在數十微秒內實現（圖6、圖7分別是電壓0V至270V的上升和下降波形）。

圖6  CSW5550的電壓上升波形

如此高速的電壓變化基本上達到了絕大多數測試項目的要求，包括能夠輸出外形基本良好的毫秒級脈沖波形。但是我們也要注意到交直流兩用電源的輸出不論是電壓上升還是下降都會存在一個較為明顯的過沖，不同的型號會有不同的表現，CSW5550是對過沖控制得相對較為良好的，大約在10%左右，持續時間在十余微秒。

如下圖8是利用CSW5550來實現汽車電子中一個典型的測試波形，即依次輸出脈寬為10ms，9ms，8ms……1ms的24V脈沖波形。

這種過沖可以通過人為控制電壓變化斜率的方式來得到抑制，例如當CSW5550的電壓變化時間被設置為1ms時，其內置控制器會自動以0.25毫秒為每一步電壓變化的步進持續時間，即分四個階梯來實現電壓的變化，而最后產生的過沖也就隨之降低至大約1/4的程度；另一種方式是使用外部的函數發生器生成斜率受控的波形信號，直接使用該波形來驅動CSW5550，將CSW5550當做一臺放大器來使用，同樣能夠通過減緩電壓變化斜率來達到降低電壓過沖的效果。如下圖9是采用外部模擬量信號(圖中藍色軌跡)控制CSW5550的輸出(圖中黃色軌跡)從0V花費0.1毫秒上升至28V的波形采集，可以看到基本消除了過沖。

除去過沖之外，紋波噪聲是另一項交直流兩用電源表現弱于常規直流電源的參數。普通直流電源的輸出端帶有高容量的輸出電容，對于紋波噪聲的抑制能力就比較強。而交直流兩用電源的紋波噪聲就可能會是同電壓等級直流電源的好幾倍了。

總結

直流電源具有高功率密度、過沖小、低輸出噪聲等優點，當上升及下降時間要求在數十毫秒或更長時往往能夠通過相應的輸出方式實現。而交直流兩用電源則能夠支持更快千倍的斜率變化，但需要評估其過沖及噪聲表現是否滿足要求。