NI PXI-4110可编程电源构架 - 3U PXI中速度、电能和精度的结合

最早的可编程电源为了提供稳定的输出电压，设计都集中在线性稳压上。这些电源含有在线性（A类）模式下工作的功率晶体管，并通过反馈来节输出特性。线性电源基于简单的设计理念，具有高精度、低纹波及噪声等特性，且对线及负载的变化具有较好响应。然而，它体积大、效率低（5%至60%）以及因此所导致的较大功率耗散等缺点，使它们不适于用于基于PXI的电源设计。尽管PXI规范允许约20W每槽的散热，但这并不能满足ATE系统所需的传统的供电需要。

一个最近被接受的用于实现测试系统中精确电源的方法是开关稳压。开关稳压要求晶体管快速开关整流，其工作周期决定了输出的电压。因此，晶体管上的开关定时决定了输出电压的精度。该方法提供了比线性稳压更高的效率，一般为65至90%甚至更多，因而发热量更小。每个元件的重量也更小，保证了封装的规格。然而，开关稳压很难获得最佳的瞬态响应，此外还必须考虑开关元件的电磁干扰。总的来说，结合以上因素考虑，开关稳压电源的性能仍然很难超越低输出噪声及高速的线性设计。

那么，如何才能在极其有限的空间内设计出高效率，同时又能满足用户对性能需求的电源呢？由于精密电源必须设计成单槽PXI模块的尺寸，所以不允许有大而笨重的散热器及大损耗的变压器。NI工程师通过结合传统线性输出方法和创新的FPGA控制前置调节器电路来满足这些设计限制。下面让我们来详细了解一下。

现代开关电源技术相比过去的30 lb电源已经有了极大改善。从技术上说，电源的尺寸很大程度上取决于开关速度。一般来说，开关速度越快，电磁元件就越小。在80年代中期，麻省理工大学和其它机构的研究人员就已经采用1 MHz的开关转换器、放大器及调整器进行试验。之后的5年中，技术上的突破更是超出了人们的预期。然而，如果开关元件损耗过大，以牺牲散热性能为代价来换取体积的缩小反而限制了技术的进一步发展。随着时间的发展和科研的进步，在最近10年中，技术上又获得了重大突破。新电源的设计不但结合了新电源控制器集成电路并能代替大而重的传统电源，还综合了高效率、高功率以及低噪音等特点。

迄今为止，该项技术进展只是实现了原始的准稳压电压。设计中仍然面临诸多挑战，包括编程实现0 V的能力、感知微安级到安培级的电流、对负载及编程输入提供快速响应等等。解决上述问题（并提供优异噪的声表现）的最佳途径是通过传统的线性电路。所以，最彻底的解决方案便是将线性技术及开关技术结合在一起。

作为题外话，商业现货D类放大器同样是高性能电源设计的选择之一。不过NI工程师认为，创新设备是专为音频应用，如高效驱动麦克风等而设计，所以需要精确的DC输出。我们认为，这些限制超出了上述放大器所能提供的潜在价值。

NI PXI-4110 3路输出可编程DC电源结合了传统线性及开关电源技术，将开关配置为跟踪调压器，本质上来说就像对编程输出设置了可变净空高度的围栏一样。最终设计的模块具有两条隔离通道，分别提供0至+20 V和0至-20 V电压，以及一条0至6 V的非隔离通道，每条通道可输出1A电流。以上基本电源输出规格还具有高分辨率和低噪声的特点，使PXI-4110可作为电压或电流源。

PXI-4110的线性输出控制如图1所示。线性部分的核心技术是Linear Technology LT1970中具有可调节精确电流限制的电源运算放大器。LT1970 对PXI电源的实现具有许多优势，包括它的小体积及对ATE应用极为有用的即时电流限制。一般来说，我们称之为“VI控制块”，因为它能根据输入设置及输出负载实现稳压和稳流控制输出，同时，它由离散运放、二极管及电阻来实现。这种VI控制块是传统源/测量单元(SMU)的核心。因此，PXI-4110可通过LT1970 VI控制块实现类似SMU的功能。

图1：LT1970是PXI-4110电压/电流控制块的核心。

因为LT1970无法满足更多输出电压、电流的需要，模拟转换电路被设计用于处理输出量程。此时需要同时按比例度量输出控制及测量。图2显示了这种双向转换的基本框图。在转换的设计中，必须注意以下关键细节：

• 必须将输出置为0 V
• 必须能够在0V电压的次微安培泄漏下同时测量电压和电流
• 必须从输出负载或电容中泄漏足够电流以在甚至接近0V时维持足够好的响应
• 必须能够允许输入过载电压的情况

图2：线性稳压被设计用于供源/测量极低的电压及电流。

LT1970像运算放大器那样驱动离散输出设备，提供输出电压所需的转换。如果在每个通道使用离散MOSFET输出元件，则输出电流可达LT1970能力的10倍，同时电压是LT1970的3倍。同样的，高速运放/FET组合作为电流敏感转换器，将电压限制在LT1970的允许范围内。最后我们获得可用于各类负载，且具有优异传输响应及稳定性的快速控制循环。该电流敏感转换器已针对动态范围及噪声进行了优化，故可检测低至0V的电压与次微安级电流。

在非隔离通道0上，开关转换器是Linear Technology LT1773的升降压变换器，它提供输出的动态稳压。通道0的控制输出通过信号调理反馈到LT1773，使LT1773输出电压“浮”于通道0的输出电压上零点几伏。这种配置的结果便是一个保留了线性调节所有优势的功效极高的开关设计。

直接将跟踪调节器和上述输出放大器相结合解决了非隔离通道的问题。对于隔离通道1和2，开关稳压由相对直接的高功率DC-DC转换器组成，工作频率为200 kHz。转换器的输入驱动由一个可以调节加在开关MOSFET上驱动信号占空比的FPGA同步。FPGA具有智能软启动和加速的优势，可“软化”来自PXI背板的瞬态电流，从而使PXI-4110工作于PXI规范内。

尽管在有隔离通道的配置中，因电路隔离而失去了通向开关稳压控制的直接模拟反馈路径（如图3），但这些通道中存在隔离的模拟数字转换器（ADC）及数据通道，提供了电流及电压的回读。ADC用于随时监测输出电流及电压，如果可将它用于监测线性输出放大器的原始输出范围，那么同样也可将这个信号用于隔离反馈。FPGA就可用于调节驱动DC-DC转换器的FET的占空比，有效提供由数字控制的软件半回路PID算法，以处理预调节输入的线性部分。所有以上的功能都可通过设计中已有的器件来实现，从而可设计为成本效益高且灵活的3U PXI模块，满足对电源的额外要求。

图3：PXI-4110的非隔离通道使用与电流/电压测量回读同样的数据通道，通过模数转换器来控制开关预调节器件。

采用此软件可配置的控制回路有诸多优点。首先，我们可以在输出放大器之前知道何处需要使用前置调节器。图4显示了正确实行这一点的重要性。其次，可定制响应以优化系统效率。最后，可根据输入电压是来自PXI背板还是外部源来调整控制算法以优化性能。很重要的一点是，来自PXI背板的电压必须满足所有产品的PXI电压规范。

图4：PID控制算法在PXI-4110分析仪中的FPGA上实现，修正所有负载和输入电压上的改变，确保前置调节器电压输出能够满足线性部分的需要。

NI工程师发现仅仅是稳压还远远不够。相反，调节线形调节器上的功率才能获得最佳响应。上述现象的原因可见图5。DC-DC转换器在小负载、低占空比的情况下更类似于电流源，而非电压源。当电流源输出端被瞬时接上负载时，输出迅速下降。因而，需要更大的电压余量以提供给PID足够的响应时间。此时可以使用功率调节，自动调整输出电压余量，使其在小负载的情况下余量更大。

图5：PXI-4110调节功率（而非电压）来补偿瞬间的负载变化。维持有效的余量来防止前置调节器上限与输出电压间的冲突

另一个表现其灵活性的例子是优化从PXI背板输入电源引出的功率。因为PXI机箱的可用功率有限，所以必须提供9 W以上的辅助功率源。然而，很多应用自身的功率低于9W，而用户很难在PXI背板上提供功率补偿。通过上述方法，不同的PID设置点（位于FPGA上）用于在PXI背板上提供辅助功率。如果需要更大的功率，可修改PID设置点来权衡效率及阶跃响应。

PXI-4110的设计中广泛采用LabVIEW图形化编程语言来仿真软件PID，然后将代码转换成VHDL以便在FPGA上执行。这就为工程师在各种用例及负载情况被确定的同时高效地试验各种构想提供了更大的灵活性。举例来说，为了确保前置调节的输出能够响应阶跃输入，PID的默认占空比在预设定的输出时钟下可支持1 A的满载输出。因而，如果预期输出状态与输出负载需要满载电流，线性输出总能保持足够的余量。如果没有LabVIEW作为仿真器和“沙盒”，就会很难综合控制框图及其例外情况。

用户向制造商提出的另一个要求是在次微安量程下电流测量的灵敏度。一般来说电源测量很难低于几个毫安。对于上述要求，用户不得不使用SMU或其它测量产品，成本往往是一般电源的2至3倍。为了将高精度产品集成到系统中，还必须加入开关等其它元器件，从而进一步提高了系统成本。NI工程师通过增加20 mA的量程，将PXI-4110提升到次微安级的灵敏度，从而满足了上述用户的需求。该设计使得输出分辨率与测量回读灵敏度提升至传统电源的100至1000倍。这将极大缩减系统成本、测试启动时间、及设备空间占用。敏感电流测量应用包括：半导体设备特征鉴定、IV曲线跟踪、电池驱动系统中的漏电流测试等。

针对PXI-4110的市场调研显示，大量应用仅需要几W的输出功率，这可直接从PXI背板上获得。而用户往往不愿意在此类应用中使用外部电源。另一方面，PXI单槽不足以提供超过10W的功率。所以PXI-4110被设计成可满足上述两种需求。NI APS-4100辅助电压源作为PXI-4110辅助设备使其满足高功率应用。

早期实验显示，设备中提供两个电压源是有必要的。举例来说，如果正在使用的外部电压源忽然失效了，PXI背板的电涌会超出PXI规格的限制（甚至可能熔断保险丝）。因此需要选择合适的硬件及控制软件，以防止PXI背板上出现这种过电压情况。图7描述了此概念。

图7：PXI-4110的输入电压源包括PXI背板及外部11-15.5 V电压源。

在ATE系统及实验室环境（包括学术环境）中，可编程电源的鲁棒性至关重要。在ATE系统的调试中，电源输入可能不经意地被错误连接。在实验室环境下，节点常会被短接或错接。因而，PXI-4110的设计能够应付各种过载情况。下文归纳了PXI-4110所具备的关键保护措施：

• 通道输出保护 – 每个通道的电流、电压限制是可编程的。此外，每个输出通道具备反相电压保护。并有输出保险丝作为防止灾难性失效的最后一道防护。板载备用保险丝还能在需要时将停工时间最小化。

每个输出具有对外界的过压保护，通道的最大保护电压可达15V。因此举例来说，对于20V的通道能够允许高达35V的外界电压。6V通道还具有附加保护功能。由于其输出限制为6V，通道0上所加的过载电压将会使所有输出关闭，并向用户发出警告。

• 辅助功率输入保护 – 辅助功率输入允许通道1及通道2(+20及-20 V)输入高达20W的功率。由于PXI-4110允许使用外部电源设备，因此需要采取适当的措施来保护模块。

辅助功率输入的工作电压量程为11至15.5V。如果发现电压超出了这个范围，模块将关闭通道，直到输入电压恢复正常量程。如果输入超过了20V，模块将启动过压保护装置，很可能导致保险丝熔断。该措施将保护输入固态开关设备（前置调节器电源）免受过压损坏。

• 过热保护 - PXI-4110设计合理，可在由输入设备的智能PID控制造成的内部温度升高时正常工作。然而，如果发生故障，如机箱风扇滤网积灰，或机箱风扇故障，将导致输入通道自动关闭，并发出警告。过热情况下的重启需要用户软件干涉，从而防止进一步的系统失效导致模块处于过热状态。

在自动化测试系统中，速度是仪器最主要的性能指标之一。对于电源来说，PXI-4110最主要的与众不同的的领域在于其编程与测量的速度以及通信总线。

PXI-4110基于PXI总线的设计显著优化了编程及测量速度。132 MB/s的PXI总线速度足够用于传递编程参数及恢复数据。模块的三个通道同时需要采集电压/电流的编程、测量参数及附加状态信息（默认限制、警告、错误、温度等），数据的双向传输很难在传统总线上实现。PXI却能以微秒级的时段来传输数据，相比之下传统仪器总线构架（GPIB或RS232）为毫秒级或10毫秒级。因而，PXI-4110的软件及数据通道开销几乎可忽略不计。

相比于传统方式，PXI-4110测量构架的速度优势同样突出。集成的ADC构架通常用于电源测量。此类ADC能够抑制噪声，但不具备灵活优化速度的能力，尤其是动态激励响应设备（如精确电源或SMU）中的ADC。对于多通道电源，输出状态的表述需要进行多参数采集，此时较慢的ADC将造成巨大的开销。

图8显示了PXI-4110中采用的构架，它与NI高速数据采集系统拥有类似的测量引擎。ADC是200 kS/s、16-bit的转换器，其中之一用于无隔离通道，另一个用于其它两个隔离通道。正如前文所述，ADC同时用于测量回读及PID控制。测量的网络循环速度在3 kS/s范围内。换句话说，每300 µs中测量引擎返回6个测量数据：3通道的电压及电流输出，PID循环数据也是类似的。这个速度足够用于同步观察所有通道的建立时间（毫秒级的上升时间），且比用户应用中任何激励响应阶跃波形要求的速度都要快。

图8：PXI-4110的测量构架在数据通过PXI背板传输回用户之前，允许快速回读每条通道的电压/电流

通过对测量求均值可获得测量的最佳噪声性能。默认设置为对每10个测量点求一次平均，但用户可根据应用需求选择、修改默认值。使用高速基于MEMS的数字隔离器，隔离数据能以10 Mb/s的速度在串行数据通道中传输。

现代自动化测试系统具有更小的体积、更高的性能保障，因而创新性的电源设计也必须跟上脚步。PXI-4110三3路输出可编程DC电源在设计中融入了开关及线性电源技术中的优势因素，为客户提供了体积紧凑、分辨率高的电压源，并可安装在单槽的3U PXI模块中。该产品与其它一流PXI模块化仪器配合使用时，能够进一步增强用户在设计灵活、高效的测试系统方面的开发能力，使用户能够应对工业领域中的各种挑战。

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