Anvend Benchtop Power Supplies' programmerbarhed, netværk og ledningsfri fjernbetjeningsfunktioner

Strømforsyninger findes i en ekstrem bred vifte af klassificeringer, fysiske størrelser og formfaktorer. Selvom det er almindeligt at optimere for størrelse, effektivitet og omkostninger, især i strømbegrænsede applikationer, som f.eks. Wearables, er der applikationer, hvor parametrene til strømforsyningsenheden (PSU) skal justeres, når en enhed er installeret og i brug. Dette er især tilfældet med PSU'er til benchtop eller automatiserede testapplikationer og miljøer.

Dette har givet anledning til strømforsyninger, der giver forskellige grader af fleksibilitet i marken, lige fra firmware OTA-opdateringer til effektivitetsoptimering, til altid på fjernovervågning og -kontrol for at sikre nøjagtighed, skalerbarhed, redundans og effektiv belastningsbalancering af strømforsyningsarrays. Programmerbarhedsfunktioner kan fremskynde produktdesign og evaluering, forbedre systemfunktionaliteten og give den nødvendige fleksibilitet. Blandt det stadigt stigende udvalg af programmerbare muligheder er der dog nogle, der især skiller sig ud.

Denne artikel undersøger roller, funktioner og funktioner i avancerede, seneste generation af PSU'er, som er meget mere end blot selvforsynet, selvstændig, nøjagtig, responsive strømforsyning i deres egne kabinetter. Derefter fokuserer den på funktioner og muligheder og efterfølgende fordele ved den nyeste generation, fuldt netværkede, meget programmerbare PSU'er fra XP Power som eksempler.

PSU sammenlignet med en open frame-forsyning

I mange designs er AC/DC-forsyningen bygget eller klemt på hoved PC-kortet eller på et separat kort, der er "gemt" i et hjørne. I andre produkter er det imidlertid nødvendigt med en distinkt, uafhængig, separat strømforsyningsenhed. Disse forbrugsvarer, nogle gange kaldet "chassis" eller "open frame" forsyninger, er selvstændige og opfylder de nødvendige krav til emballering, ydelse og lovgivning. Mange af dem er tilgængelige fra flere leverandører som andre eller alternative kilder med hensyn til form, pasform og funktion.

Disse typer varer, der er typificeret af enheder som XP Power UCH600PS36, en 36 volt, 4,16 A, 600 W åben rammeforsyning, har ingen brugergrænseflade, da der ikke kræves nogen (figur 1). I stedet er de integreret i slutproduktet uden mulighed for brugerjusteringer, når de først er i felten. De har minimale indgangs-/udgangsforbindelser: Vekselstrømsindgang, jævnstrømsudgang og måske fjernfølende ledninger.

Figur 1: En strømforsyning med "open frame" såsom UCH600PS36 er designet til at være indlejret i slutproduktet uden behov for slutbrugeradgang eller justering af dets forskellige ydelsesparametre. (Billedkilde: XP Power)

I modsætning hertil har ingeniørprojekter brug for et fleksibelt, brugervenligt interface implementeret via en kombination af afbrydere, drejeknapper, soft knapper, målere, indikatorer og endda en alfanumerisk aflæsningsdisplay. Disse fuldt justerbare PSU'er er designet til at muliggøre praktisk justering af parametre inklusive udgangsspænding, maksimal strøm og spænding/strømbegrænsning blandt andre faktorer. De tjener ingeniørholdets behov under design, prototypeevaluering og fejlsøgningsfaser og omtales generelt som "benchtop" eller "laboratorieforsyning". De kan også monteres i et fast, semi-permanent arrangement for nemheds skyld og pænhed som en del af et automatiseret testudstyr (ATE) eller anden langtidsinstallation (figur 2).

Figur 2: “Benchtop” PSU'er bruges på ingeniørens bænk, men de er også ofte monteret i et rack sammen med andre testenheder for at give et komplet, pakket instrumenteringsopsætning. (Billedkilde: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

Dagens PSU'er skal tilfredsstille behov, der er mere sofistikerede end dem, der håndteres af PSU'er for bare nogle få årtier siden, selv om deres grundlæggende funktion er den samme. Sammen med grundlæggende spænding og strømudlæsninger og manuel justering af udgangsspændingsværdien skal en PSU muliggøre andre manuelt dirigerede funktioner samt tilbyde fjernadgang.

PSU'er som XP Power's PLS600-serie af programmerbare DC-strømforsyninger gør dette ved at tillade justering af betjeningsparametre, der kan udføres ved hjælp af ikke-beskyttede, praktiske kontrolpaneler på frontpanelet plus forskellige muligheder for baggrundsforbindelse, herunder USB, Ethernet og analoge interfaces (Figur 3). Desuden skal PSU overvåge sin egen situation og belastningen og rapportere situationen direkte og eksternt, både på efterspørgsel og som en undtagelse for at bevare tilliden til selve enheden såvel som det større system.

Figur 3: Frontpanelet (toppen) af enheder i PLS600-serien er funktionelt og uklart, mens det understøtter kraftfulde brugeradgang og overvågningsfunktioner; bagpanelet (nederst) har AC-kabel og stik til USB-, Ethernet- og analoge grænseflader. (Billedkilde: XP Power)

Funktionerne på frontpanelet (vist som 1 til 7 i figur 3) er beskrevet mere detaljeret i brugermanualen, men er i stigende rækkefølge: tænd/sluk; nuværende sæt; spænding indstillet; output tændt/slukket; skærmen; og strømudgangsstik.

PLS600-familien består af fem jævnstrømsudgangsenheder, der begynder med 30 volt PLS6003033 DC og topping ud med 400 volt PLS6004002.5, alle med en maksimal effekt-klassificering på 600 watt.

Fuld programmerbarhed giver ekstra fordele

Det er en ting at sige, at en PSU er “programmerbar”, men det er vigtigt at afklare, hvad det betyder for en moderne PSU. Først skal PSU'en have en brugerindstillelig snarere end fast udgangsspænding; i mange tilfælde kan PSU også fungere som en brugerindstillelig strømkilde. For nemheds skyld justeres værdierne for disse primære parametre let fra frontpanelet. Sammen med en digital aflæsning er drejeknapper stadig den mest behagelige måde at hurtigt indstille, justere eller "finjustere" de ønskede indstillinger.

Blandt andre parametre, som brugerne kan indstille, er den vigtige overspændingsbeskyttelse (OVP), overstrømsbeskyttelse (OCP) og endda overeffektbeskyttelsesværdier (OPP). Det sidstnævnte er nyttigt til applikationer, hvor “bekymringen” ikke er 600 W effektgrænsen for PLS600 PSU, men den maksimale mængde strøm (spænding × strøm), som belastningen skal have tilladelse til at trække fra forsyningen for at forhindre skade på det.

Ofte, efter at have foretaget forskellige justeringer af spænding, strøm, effekt eller andre sætpunkter under tidspress og stress ved fejlsøgning og test, kan brugere uforvarende forsømme at registrere de værdier, de faktisk har angivet for disse faktorer. På grund af denne og andre grunde tillader PLS600 PSU'erne hurtig visning af parameterværdierne. Desuden opbevares de alle internt, så de ikke behøver at blive indsat igen ved opstart.

En sådan grundlæggende programmerbarhed er kun det første aspekt af en virkelig alsidig PSU. I mange test- og evalueringssituationer er der et behov for, at forsyningen udfører et foruddefineret realtids “script” uafhængigt af en netværksforbindelse. Til dette giver PLS600-serien en sofistikeret integreret scripting-evne, der giver brugerne mulighed for at skrive brugerdefinerede programmer til generering af brugerdefinerede outputprofiler, der passer til en lang række unikke krav, og uploade dem til strømforsyningen for at blive udført på kommando.

Dette gør det muligt for forsyningerne at spille en avanceret rolle i det større system og således være et effektivt element i en produktprestationssekvens eller avanceret livscyklusprøve, såsom en stærkt accelereret livstest (HALT), og muligvis til hjælp til at finde subtile anomalier relateret til slutproduktets strømforsyningssystemets egenskaber.

Forbindelse og kontrol fra enkel til netværk

Selvom en benchtop PSU skal have frontpanel, hands-on, brugervenlige kontroller til grundlæggende og øjeblikkelig adgang, er disse utilstrækkelige til en effektiv forsyning på systemniveau. Ud over de praktiske drejeknapper til spænding og strømjustering understøtter PLS600-serien også fjernbetjening via USB, Ethernet og analoge kontrolindgange.

Den analoge kontrol kan virke som en anakronisme, men den muliggør direkte og nem opsætning af et grundlæggende fjernbetjeningsscenarie, og det kan være nødvendigt af hensyn til bagudkompabilitet. Bemærk, at benchtop-instrumenter har en lang levetid, og at der stadig er IEEE-488 GPIB-enheder (General Purpose Interface Bus) i brug. Den analoge styring er også praktisk, når forsyningen bruges i et tilbagekoblingskredsløb med lukket sløjfe, hvor en forsyningsspænding skal justeres i realtid baseret på en eller anden detekteret eller afledt spænding.

Ud over denne grundlæggende analoge kontrol er alle PLS600 PSU'er LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) -certificerede, hvorved de opfylder interoperabilitetsstandarder for LAN-baserede instrumenter. Standard LabVIEW- og udskiftelige virtuelle instrumenter (IVI) drivere er tilgængelige til brug med standard software. Enhederne understøtter standardkommandoer til programmerbare instrumenter (SCPI), og brugerudviklet SCPI-baseret software understøttes også. USB- og Ethernet-indgange er SCPI-kompatible og har LabVIEW-drivere tilgængelige på National Instruments's websted. For at sikre tillid til indstilling og aflæsningsværdier inkluderer PSU'erne integrerede 12-bit digital-til-analog og analog-til-digital konvertere til nøjagtig måling og rapportering af spænding og strøm.

Kombinationen af netværksbaseret fjernindstilling med muligheden for manuelt at ændre værdier eller gøre det under programstyring og også rapportere om strømforsyningsstatus og alarmforhold er mere end en bekvemmelighed. Det reducerer behovet for ingeniører til at "babysit" den enhed, der testes, og kigge efter og korrelere afvigelser, når de forekommer. Brug af dette i kombination med instrumenter som en datalogger eller et digitalt oscilloskop med stor hukommelse og passende triggere gør det praktisk at udføre langtidsundersøgelser og derefter downloade resultaterne til en mere omfattende analyse.

Adressering af fjernmåling og kalibrering

Alle strømførende ledninger og strømskinner udsættes for strøm-modstand (IR) spænding (V). En grundlæggende beregning ved hjælp af Ohms lov (V = IR) viser omfanget af problemet. Som et resultat kan den spænding, der leveres ved belastningen være afvige et par millivolt under dens nominelle værdi ved forsyningen til ti eller endda hundreder af millivolt.

En måde at håndtere dette fald på er at kompensere ved at øge den nominelle spænding ved PSU med et beløb, der er lig med faldet, men dette betragtes som dårlig praksis, fordi IR-faldet er en funktion af den trukket strøm, og det vil således svinge. Som et resultat kan spændingen ved belastningen faktisk være for høj på tidspunkter, hvor strømmen og det resulterende IR-fald er lavt.

Af denne grund er den sædvanlige løsning at bruge fjernmåling via to yderligere ledninger i et Kelvin-sensingarrangement. I denne konfiguration registreres den aktuelle spænding ved belastningen og føres tilbage til forsyningen for dynamisk at justere udgangen, så spændingen ved belastningen altid har den ønskede værdi. Denne udbredte løsning accepteres som standardpraksis og fungerer normalt godt, men den har nogle ulemper.

For det første er der behovet for to ekstra ledninger, der virker som en triviel sag, men tilføjer rod til en bænk. For det andet er det ikke altid nemt at tilføje to yderligere kontakter med lav modstand ved belastningen, især når belastningskontakterne ikke er designet til at rumme dem. Enhver, der har forsøgt at forbinde #24 AWG sensingledninger, fører til skruer eller andre klemmer designet til den strømførende #14/12/10 AWG-strømforsyningsskinne har oplevet vanskeligheden.

Endelig kan disse to ekstra sanselinjer synes som bare passive ledninger, men det er de ikke. Elektrisk danner de en feedback-loop for en forstærker, der tilfældigvis er en strømforsyning. Hver gang der er sådan en feedback-loop, er der muligheden for støjopsamling eller endda svingning på grund af den ubegrænsede og normalt dårligt definerede løkke. Selvom fjernmåling muligvis løser IR-fald-problemet, kan det også forårsage et mere lumskt problem med svingning af forsyningsudgangen. Yderligere filtrering af den rigtige type kan være nødvendig, men alligevel kan sådan filtrering også ændre og forringe den dynamiske kortvarige respons fra forsyningen.

Fjernmåling, uden IR-fald inducerende ledninger

For at undgå de mekaniske, elektriske og endda æstetiske problemer, der er forbundet med fjernbetjening, tilbyder PLS600-serien en alternativ tilgang ved hjælp af en proprietær teknologi til digitalt at kompensere for disse modstande uden behov for ekstra ledninger. Kort fortalt påkalder brugeren fjernmålingstilstanden fra frontpanelet, kortslutter belastningslederne ved belastningen og indstiller PSU-strømmen til mindst lige så meget, som det forventes, at belastningen vil trække (Figur 4).

Figur 4: XP Power PLS600 PSU'er understøtter et unikt skema til forkompensering af IR-fald, hvilket eliminerer behovet for ekstra fjernfølelsesledninger. (Billedkilde: XP Power)

PSU måler udgangsstrømmen og det samlede spændingsfald i belastningslederne og beregner derefter belastningenes modstand. PSU kan derefter justere udgangsspændingen ved dens strømterminaler i realtid for at korrigere for faldet i belasningskablerne. Som et resultat er der ikke behov for separate føleledninger i selve installationen.

Avancerede PSU'er tilbyder også kalibreringsfleksibilitet

Selvom PSU'er som dem i PLS600-serien normalt ikke har brug for kalibrering, kan der være omstændigheder, hvor enhedens udgangsspænding skal kontrolleres, og nogle kalibreringsjusteringer er påkrævet. For at kalibrere udgangsspændingen og strømmen og den viste spænding og strøm kræver PLS600-serien et kalibreret voltmeter og en kalibreret strømshunt.

PSU'en er indstillet til kalibreringstilstand, og dens output forbliver åben med kun tilsluttet voltmeter. Kort fortalt matches PSU'ens viste værdi og voltmeterværdien, og knappen til PSU-panelet skubbes for at registrere værdierne. Dernæst forbindes den aktuelle shunt på tværs af udgangen, og voltmeteret er tilsluttet shunten. Herefter justeres PSU-udgangen, indtil det eksterne voltmeter aflæser nøjagtigt den strøm, der vises på strømforsyningsdisplayet (figur 5). Bemærk, at spændingen, der vises på måleren, vil være afhængig af værdien af den aktuelle shunt, der bruges, jf. Ohms lov.

Figur 5: En ligetil totrinsproces bruges til at kalibrere XP Power PSU'erne: En udgangsspændingsmåling i åbent kredsløb efterfulgt af en spændingsmåling på tværs af en kalibreret belastnings shunt. (Billedkilde: XP Power)

Sådan får du mere spænding eller strøm

Selvom PSU'er i PLS600-serien tilbydes i kombinationer af spænding og strømklassificering, vil der utvivlsomt være omstændigheder, hvor flere af en eller begge disse parametre er nødvendige. Den åbenlyse løsning er at få et større udbud med deraf følgende ekstraomkostninger. Dette kan være svært at retfærdiggøre, da det muligvis kun er nødvendigt i en kort periode. Et alternativ er at overveje at sætte to eller flere af PLS600 PSU'er i serie for mere spænding eller parallelt for at få mere strøm.

At få den stigning i spænding eller strøm er imidlertid ikke kun et spørgsmål om at forbinde to forsyninger i serie eller parallelt. Når de kombineres på en sådan måde, vil en af tre ting sandsynligvis ske:

1. Konfigurationen giver ikke den nødvendige output, er ukontrollerbar, og forsyningerne er sandsynligvis beskadiget
2. Konfigurationen fungerer delvis, men ikke med den nødvendige ydelse, nøjagtighed, konsistens eller er ikke overbevisende
3. Det hele fungerer helt fint enten på grund af held, generelt ikke en god teknisk taktik, eller i kraft af bevidst design

Udfald nr. 1 og nr. 2 er uønskede og uacceptable, selvom der er måder at omgå deres mangler til en vis grad med nogle nøje udvalgte og klassificerede eksterne komponenter såsom strømdelingsmodstande eller isolationsdioder (figur 6). Et lignende skema bruges til spændingsparring. Selv hvis det fungerer, er den generelle ydelse begrænset af specifikationerne for den mindste af de to forsyninger og uoverensstemmelser mellem de tilføjede komponenter og forringet også af disse komponenter.

Figur 6: Eksterne komponenter såsom strømdelingsmodstande (venstre) eller isolationsdioder (højre) kan bruges til at placere to PSU'er parallelt for at få yderligere strømkapacitet, men ydeevnen forringes ved at gøre det. (Billedkilde: XP Power)

Som et resultat er den generelle idé, at det skaber langt færre problemer med at bruge en enkelt strømforsyning, der er klassificeret til applikationen i stedet for to eller flere parallelt eller serier. Dette ønskelige resultat nr. 3 af “fungerer fint” vil dog forekomme, hvis forsyningerne er specielt designet til serie eller parallel drift, ligesom PSU'erne i familien i PLS600-serien.

For at placere PLS600 PSU'er parallelt eller i serie, skal en strømforsyning indstilles til at være master, og resten af strømforsyningerne skal indstilles som slaver. Op til to forsyninger (og de skal være identiske) kan tilsluttes i serie til spændingsforøgelse, mens op til fire identiske enheder kan bruges parallelt til strømforstærkning. Opsætning og betegnelse af master og slavenheder udføres via frontpanelens kontrol, og der er nogle maksimale grænser, der skal forstås af både sikkerhedsmæssige og ydelsesmæssige årsager.

Rack og stack for nemheds skyld, disciplin, effektivitet

Ingeniørarbejdsbænkernes visuelle udseende spænder fra rimeligt pænt til utroligt rodet. Virkeligheden er, at mange bænke begynder at være pæne, men ofte er rodet bare "opbygget", og de enkelte eller flere PSU'er og deres ledninger fører til den rod. I andre tilfælde er PSU en del af en instrumenteringsenhed, der er rackmonteret af en af flere grunde:

• Det er en del af et fritstående ATE eller langtidsevalueringsprojekt
• For at give systemintegritet og forbedre pålideligheden ved at sikre dig, at alt har dets tilsigtede sted, og at alle kabler er fuldt klædt og har belastningsaflastninger
• Et behov for transport og eventuel geninstallation

Af disse grunde tilbyder XP Power PLS600 rackmonteringskit til PLS600 PSU'erne (figur 7).

Figur 7: XP Power PLS600 rackmonteringskit letter installationen af en enkelt PLS600 enhed eller et par enheder side om side i et standard chassisudstyrsstativ. (Billedkilde: XP Power)

Da alle medlemmer af PLS600-serien har den samme kabinestørrelse, fungerer kittet for dem alle. Installation af en PSU ved hjælp af dette kit er en hurtig og enkel opgave, og kittet gør det muligt at montere to PSU'er side om side.

Konklusion

Benchtop-strømforsyningsenheder er meget forskellige i form og funktion fra indlejrede enheder, der har få eller ingen brugerkontrol eller justeringer. Benchtop eller "laboratorie" PSU'er er vigtige instrumenter til prototypeudvikling, debug og test samt fixed-in-place teststander. En veludviklet, funktionsrig laboratorie-PSU, såsom dem i XP Power PLS600-serien, tilbyder både overlegen ydelse såvel som de ekstra funktioner og muligheder, der er nødvendige for effektiv og fleksibel brug, lige fra praktisk frontpanelstyring til netværksadgang og script-drevet programmerbarhed.

Referencer

1. XP Power AC-DC Power Supplies PLS600 Series
2. XP Power User Manual PLS600 Series Programmable DC Power Supplies
3. XP Power User Programming Manual PLS600 Series Programmable DC Power Supplies