电源基础原理：工作模式、远端感应、纹波、噪声

直流电源的用处是为相连接设备提供直流电，通常用于研究、设计、开发和生产应用。连接到电源的设备可以是负载、待测设备(DUT)或待测单元(UUT)，因具体应用情境而异。分析DUT的特性或测试DUT是否按预期工作时，许多直流电源不仅能够提供电源，还能测量DUT消耗的电压或电流。通常情况下，电源提供恒流或恒压，并监测由此产生的压降或电流消耗。可编程直流电源可以通过计算机与设备通信，从而实现自动化。部分可编程直流电源可以在板载内存中存储输出序列或测量值，而其他电源只能处理即时操作。

^{图1.大多数直流电源工作模式可归入象限I（提供正电压和正电流）或象限III（提供负电压和负电流）。}

如图1中的I-V图所示，大多数直流电源工作模式可归入象限I（提供正电压和正电流）或象限III（提供负电压和负电流）。直流电源的功率计算公式为P = V x I。在象限I中，电压和电流均为正；在象限III中，电压和电流均为负。在这两种情况下，将数值代入功率计算公式，就会得到正的功率输出，这种情况被称为供电(sourcing)。而在象限II和象限IV中，计算得出的功率值为负数，这种情况被称为吸电(sinking)。供电时，功率由电源提供，由DUT消耗。吸电时，功率由DUT提供，由电源消耗。

有些电源设备称为源测量单元(SMU)，可能出现所有四个象限表现的工作模式：既可供电，又可吸电。SMU可以看作为理想的可充电电池。将电池连接到充电器时，电池会从充电器中汲取电量。而将电池从充电器上拔下，为手电筒供电时，电池就变成了灯泡的电源。SMU通常用于分析电池、太阳能电池、电源、DC-DC转换器或其他发电设备的特性。

区分直流电源和SMU的另一个因素是精确度。有些应用要求特别高，需要比常规电源更高的精确度。SMU通常在µV或pA范围内具有较高的精确度，因此当源值和测量值的精度很重要以及常规电源无法满足应用的灵敏度要求时，通常首选SMU。 如果精确度对您的应用至关重要，请查看模拟采样质量:精度、灵敏度、精确度和噪声白皮书，了解更多信息。

除了理解供电(sourcing)功率和吸电(sinking)功率的区别之外，了解恒压模式和恒流模式的区别也很重要。可编程直流电源可以在恒压模式或恒流模式下运行，具体取决于所需的输出电平和负载条件。

恒压模式

恒压模式有时也称为电压控制模式，在该模式下，虽然输出电流随负载条件变化，电源的作用类似于电压源，仍保持输出端的电压恒定。如果负载电阻发生变化，根据欧姆定律(V = I x R)，供电电流也必须同比变化，以保持电源输出电压电平恒定。如果DUT的电阻突然下降，那么电源就会增大电流以维持电压恒定。

使用可编程直流电源时，您可以设置所需的电流限制值。如果您的负载要求超出所设电流上限的电流，电源会进入合规运行模式，也就是说电源不会为了达到要求的输出电压电平而违反用户编程的电流限制。此时，电源切换到恒流模式，电流保持在电流上限。这一关键负载电阻称为合规电阻，可以通过电压设定值除以电流上限计算得到。合规电阻往往也称为临界电阻和交叉电阻。

例如，假设您需要为DUT提供恒定的5 V (VS = 5 V)电压，而该DUT负载电阻通常为50 Ω (RL = 50 Ω)。此外，您决定将电流输出限制在300 mA (IS = 0.3 A)以内，以防损坏DUT。根据合规电阻公式(RC = VS / IS)，可以计算出在恒压模式下，最小负载电阻是16.67 Ω才能保持输出模块正常工作。如果负载电阻波动，但保持在16.67 Ω以上，则电源将继续提供恒定的5 V电压。如果DUT故障，负载电阻降至16.67 Ω以下，则电源会进入合规运行模式，即切换到恒流模式，以低于5 V的电压电平保持300 mA的输出稳定。

^{图2.当输出恒定电压时，可以通过设置电流上限来保护DUT}

恒流模式

恒流模式本质上与恒压模式互补。恒流模式也称为电流控制模式，在该模式下，电源的作用类似于电流源，在输出电压根据负载条件而变化时，保持流经输出端的电流恒定。根据欧姆定律，如果负载电阻发生变化，电压也必须随之变化以保持电流恒定。如果前一个例子中的DUT发生故障，导致负载电阻下降，那么电源将同比例降低输出电压以保持电流恒定。例如，在控制LED时，要采用恒流模式，因为如果电流过大，可能会损坏LED。

恒流模式也受配置的电压限制值的限制，具有类似于恒压模式的合规电阻。计算恒流模式下的合规电阻时，可以参照“恒压模式”一节中介绍的同一方法。但是，对于恒流模式，负载电阻必须保持小于合规电阻，以保持所需的恒流。图2说明了恒压和恒流模式的合规电阻概念。

为锂离子电池充电是一种同时需要恒压和恒流模式的独特应用：锂离子电池是一种常见的可充电电池，具有能量密度高、无记忆效应、不使用时只有缓慢电荷损失等优点，因而广泛应用于便携式电子产品。为锂离子电池充电时，电源应施加恒定电流，并监测电池电压电平，直到电池达到最大电压。锂离子电池充满电后，电源应切换到恒压模式，以提供电池保持在最大电压所需的最小电流。

大多数可编程直流电源的一个关键特性是能够测量产生的电流和电压。该特性在许多应用中都是必不可少的，譬如I-V曲线跟踪，在该应用中，需要在多个电压设定值下测量电流消耗。可编程直流电源的测量操作类似于数字万用表(DMM)。与其他测量设备一样，测量执行速度和测量噪声之间是需要进行权衡的。

要进行这些测量，请选择可编程电源以及可与您的环境兼容的测量方法。例如，NI提供NI-DCPower，其中包含许多常见编程语言的API，以及InstrumentStudio，该软件可助您简单高效地进行交互式测量。 

为了精准地供电或测量电压，要解决的一个挑战是导线电阻对DUT电压的影响。导线存在电阻，如果长度够长、线规够小，则导线的电阻变得不容忽视。表1列出了不同线规的铜线的典型电阻。虽然通常不超过几欧姆，但这些小电阻会对DUT接收的电压产生很大影响，特别是当DUT的内阻很小时。

^{表1.导线的电阻对DUT接收的电压有很大的影响。}

图3显示了一个通用电路的示意图，该电路由供电仪器和导线组成，电源连接至DUT。此时，导线是24英尺长的26 AWG铜线，其电阻约为1 Ω，用于将电源连接到DUT的正负极引线。从电源流出的电流导致Rlead1和Rlead2之间存在电压降，使得RDUT两端的电压小于_源电压。

^{图3.这是一个典型的可编程直流电源的连接示意图，用于计算DUT接收的电压。}

假设电源设置为5 V输出，DUT的阻抗为1 kΩ，可以使用下面的公式计算DUT端看到的实际电压。

在初始情况下，所看到的电压实际上只有4.99 V。对于某些设备来说，这么小的变化并不是问题；然而，对于需要基于工作电压进行精确特性分析的应用来说，这种误差可能非常严重。此外，对于输入阻抗较低并因此吸取大量电流的元器件，DUT上的实际电压可能大大低于电源输出的电压。表2列出了输入阻抗较低的DUT上测得的电压值。

^{表2.对于输入阻抗较低的设备，由于导线电阻的存在，在DUT处观察到的电压会大大低于电源输出端的电压。}

解决导线电阻引起的电压误差的方法是远端感应法，也称为四线检测法。该技术直接测量DUT上的电压，并进行相应的补偿，以此来计算导线电阻上的压降。这种方法类似于DMM通过4线电阻测量来消除电阻测量中导线电阻的影响。大多数电源、SMU和DMM在输出端都有两个额外的接线端，用于实现这种四线远端感应技术，这些额外的接线端直接连接在DUT上，如图4所示。虽然用于远端感应的导线中仍然存在电阻，但电压测量是在高阻抗下进行的，因此没有电流流过感应导线，也就不存在电压降。

^{图4.远端感应是一种可以消除导线电阻影响的四线连接技术。}

纹波和噪声

为应用中选择要使用的可编程直流电源时，务必要考虑输出纹波和噪声，它们有时也称为周期性和随机性偏差(PARD)。真正的噪声是随机的，在频域中观察时是分布在所有频率上的，而纹波通常是周期性的。将墙壁插座的交流电源转换为所需的直流电平时，需要进行交流变直流的整流，纹波就是在整流过程中引入的。根据电源使用的调节类型，纹波会有一个或两个基频。

直流电源通常采用线性调节或开关调节将50/60 Hz交流电源转换为直流电源信号。线性调节电源使用交流转直流变压器将线路电压转换为稳定的直流输出。因此，线性稳压电源的电压输出除了额外的噪声之外，通常还有50/60 Hz的低频纹波。线性稳压电源的纹波和噪声通常较低，但同时也存在效率低、尺寸大、产生热量高等缺点。另一方面，开关电源可将50/60 Hz电流转换为更高的频率，除了50/60 Hz低频纹波外，还会产生一些周期性的高频纹波。开关电源通常尺寸较小，产生的热量更少，效率也更高，但却非常容易受到高频噪声的影响。图5显示了高频纹波和随机噪声。

^{图5.在电源中，噪声通常是随机的，并分布在所有频率上，而纹波则是周期性的。}

此外，可编程直流电源的传输会受到环境噪声的影响，这增大了系统的固有噪声。为了减少环境噪声的影响，务必尽可能使用屏蔽双绞线。

上升时间和稳定时间

上升时间和稳定时间是电源达到所需电压电平并保持稳定的能力的关键指标。具体来说，上升时间是指输出从设定的输出值的10%上升到90%所需的时间。稳定时间描述了输出通道稳定在其最终值的指定百分比内所需的时间，包含上升时间。

图6显示了电源输出从0 V到10 V的上升时间和稳定时间。

^{图6.上升时间和稳定时间是电源达到所需电压电平并保持稳定的能力的关键指标。}

上升时间和稳定时间是电源最重要的两个规格，因为它们会直接影响测量时间，需要额外的时间来等待电路从瞬态恢复过来后，才能进行下一次测量。在某些场景中，测量时间尤其重要，譬如在自动化测试系统中，减少测量时间也可以降低总体成本。

瞬态响应

瞬态响应通常描述了系统对平衡状态发生变化时的响应。对于直流电源，瞬态响应描述了在恒压模式下工作的电源对负载电流瞬间变化的响应。负载电流的变化，如电流脉冲，会引起电压发生如图7所示的高瞬变。当电源的内部控制电路补偿负载电流的变化时，电压就稳定在所需的电平上。电源的瞬态响应是指从瞬态响应恢复至电压设置值的一定百分比内所需的时间。通常，瞬态响应表现形式为负载电流变化50%后恢复到电压设定值的某个百分比所需的时间。例如，在负载电流变化50%后，设备可能能够在50µs内恢复到原始电压设定值的0.1%。

^{图7.对电流脉冲的瞬态响应}

假设在某种应用中，DUT电阻突然下降导致发生电流脉冲，那么在电源的内部控制电路补偿负载的变化之前，先会发生瞬态电压下降。与上升时间和稳定时间类似，电源的瞬态响应规格也很重要，因为它也会影响测量时间。有关瞬态响应和负载注意事项的更多信息，请参阅电源线以及负载调节和级联注意事项白皮书。

隔离

隔离是物理上和电气上将测量或供电设备的两个部分分离开来的一种方法。电气隔离是指避免两个电气系统之间存在接地路径。电气隔离可以断开接地回路，提升电源的共模范围，并将信号接地参考转换为单个系统接地。如果您正在考虑通过级联电源输出来扩大电压和电流范围，则电源隔离规范尤其重要，电源线以及负载调节和级联注意事项白皮书中对此进行了更详细的介绍。

最稳健的隔离拓扑是通道对通道隔离。在这种拓扑结构中，每个通道都与其他通道以及其他非隔离系统组件隔离开来。此外，每个通道都有自己的隔离电源。

NI为机架式和PXI Express系统提供可编程电源，可以完成上述所有任务。

PXI可编程电源在单个PXI插槽中提供高达120 W的功率，从而节省了测试系统内昂贵的机架空间。完全可编程的电源具有多个输出断开继电器，可将仪器与DUT隔离，通过远端感应来校正系统接线中的损耗，并通过PXI平台提供集成的定时和同步功能。 

如需更高的输出功率，可选择NI的可编程电源设备，该设备具有全机架或1/6机架宽度，通过机架安装方式提供可编程直流电源。 可编程电源设备是一种单通道机架式直流电源。 部分型号可以在紧凑的设计中提供数百瓦功率的电源，使其成为需要多个电源轨的测试系统的理想选择。

• 可编程直流电源的用处是为相连接设备提供直流电，通常用于研究、设计、开发和生产应用。
• 供电时，功率由电源提供，由DUT消耗。吸电时，功率由DUT提供，由电源消耗。 
• 直流电源工作模式可归入象限I或象限III。SMU可能出现所有四个象限表现的工作模式。
• 可编程直流电源可以在恒压模式或恒流模式下工作。 
• 在恒压模式中，电源的作用类似于电压源，在输出电流变化时保持输出端电压恒定。
• 在恒流模式中，电源的作用类似于电流源，在输出电压变化时保持电流恒定。
• 如果负载超过合规电阻并超出电流或电压限制，则电源进入合规运行模式。
• 远端感应是一种可以消除导线电阻影响的四线连接技术。
• 纹波是一种周期性噪声，为了将墙壁插座的交流电源转换为所需的直流电平，需要进行交流变直流的整流，纹波就是在整流过程中引入的。
• 上升时间和稳定时间是电源达到所需电压电平并保持稳定的能力的关键指标。
• 瞬态响应描述的是在恒压模式下工作的电源对负载电流瞬间变化的响应。
• 电气隔离可以断开接地回路，提升电源的共模范围，并将信号接地参考转换为单个系统接地。