如何为自动化测试系统选择合适的直流电源

作者: Bill Martin，AMETEK可编程电源公司

用于测试电路板、模块或设备的每个自动化测试系统都需要一个或多个直流电源，用于给待测设备提供电源并提供测试激励。在有些情况下，电源不仅要向待测设备提供电源，而且要通过模拟工作环境提供测试激励源。举例来说，虽然大多数汽车电子设备工作在标称12VDC，但最大输入电压可能高达27VDC。正因为如此，一些汽车标准要求对12VDC器件进行高达27VDC的极限测试。诸如此类的必要性决定了电源要求。下面让我们看看在为自动化测试系统选择电源时需要考虑的常用电源规范有哪些？

线性电源还是开关电源？

在购买直流电源时首先要做出的决定是选择线性电源还是开关电源。线性电源具有较低的纹波和噪声，并且具有快速的瞬态行为。但它们效率低，会产生大量热量，而且很重。因此大多数工程师发现只是在较低输出功率电平(一般500W以下)时比较合意。大多数线性直流电源是台式电源。


图1:基本线性电源。

对线性台式电源来说，一个非常适合的应用是测试通信设备，比如无线电或移动电话或雷达系统的解调模块。这些设备具有非常灵敏的鉴频器或解调器电路，这些电路在低噪声系数下才能发挥理想的性能。为了测试这些单元的真实性能，我们需要确保直流电源不会给测试装置增加任何寄生噪声。由于线性电源具有比开关电源更低的输出纹波和噪声，因此它们是这类应用的较好选择。

当功率要求较低时，线性电源也是个很好的选择。开关电源的主要好处只能在较高输出功率电平才能表现出来。因此，在每个直流输出通道的功率要求不超过100W至200W的应用中使用线性直流电源比较划算。

从这一点来看，考虑系统中所有直流通道的总输出功率非常重要。如果系统中有4个或4个以下的通道，而且功率要求比较低，那么比较明智的选择是以19英寸机架安装套件形式提供的4个线性电源。

如果系统要求更多的输出通道，或更高的输出功率，那么使用开关电源是更好的选择。开关电源可以提供比线性电源更高的功率密度。通过使用开关电源，你可以拥有12VDC输出，并能以相同的机架安装结构提供高达4000W的功率。开关电源要比线性电源更容易控制，而每通道的成本差不多。

即使在要求低纹波和噪声输出的应用中，开关电源也不只是更有效率。最近功率电子领域中的发展(如零开关)，极大地改进了开关电源的纹波和噪声性能。当你同样认为开关电源比线性电源更加灵活、并且能够提供更高的功率密度时，那么它们将成为除少数应用外几乎所有应用的首选。


图2：线性电源与开关电源的噪声谱。

瞬态响应

瞬态响应是衡量电源应对电流需求变化或负载阻抗变化能力的一个指标。对许多应用来说这是一个很重要的指标。

当输出电流需求在一个很短的时间内显著增加或减少时，输出电压也可能发生显著的下降或上升。电源内部电压控制环路试图将输出保持在设定电压值，但响应不是立即发生的。

为了得到更快的瞬态响应，有时不得不勉强接受更大的纹波和噪声。在可编程电源内部，需要在内部电压控制环路和输出滤波器之间进行折衷。大的输出滤波器可以限制纹波和噪声，但会使电源更慢地响应快速变化的负载。非常快的内部电压控制环路虽然可以缩短瞬态响应时间，但可能造成上冲或下冲，进而可能损坏待测设备(DUT)。


图3: 开关模式可编程直流电源的典型瞬态响应规格。

移动电话测试是瞬态响应的典型应用案例。在该应用中，直流电源模拟移动电话的内部电源。当话机开始发送信号时，电流会很快上升。

对于话机的内部电池来说这不是个问题，但对于可编程开关电源而言，这是一个比较困难的任务。在这种情况下线性电源是比开关电源更好的一个选择，因为这种应用的功率要求低，而线性电源的瞬态响应一般来说比开关电源要好。

然而测试汽车继电器和熔丝又是另外一回事。对这种应用而言，可编程直流电源必须能够在高达30VDC的条件下提供大的电流，而且典型的功率要求是5kW至10kW。在这种测试中，大的直流输出电压上冲可能损坏继电器或熔丝。为了防止这种现象的发生，你肯定希望电源能够控制直流输出电流从零瞬变到最大输出或从最大输出瞬变到零输出。

使用预负载是限制上冲和下冲的一种实用技术。可以将一个预负载与待测设备并联在一起，这时可编程电源的直流输出将限制电流变化率，从而显著减小直流电压上冲和下冲的幅度。想像一下50%的电流流经这个附加的预负载，另外50%的电流流经待测设备。当待测设备产生100%电流需求时，电源只看到50%的电流需求变化。管理50%而不是100%的电流需求变化对电源来说容易得多，而且几乎消除了高压上冲效应，因而避免了对待测设备的任何损坏可能。在本例中可以使用简单便宜的阻性负载作为预负载。任何比例都是好的。换句话说，为了获得瞬态响应和上冲规格的改善，这个新增负载吸收40%、50%还是60%的电流需求并不是关键。


图4：使用预负载的测试方案示意图。

使用预负载的缺点是要求两倍的直流输出电流。幸运的是，如果你使用AMETEK的开关电源，额外功率要求的代价是相当便宜的。因此与专门的电源子系统来说，针对这种特殊应用使用预负载是一种成本很低、实用性更强的方法。


图5:开关电源架构。