NI PXI-4110可编程电源架构－集速度、功率和精度于3U PXI之中

最早的可编程电源设计全部侧重于线性稳压，以提供稳定的输出电压。这些设计包括以线性（A类）模式工作的功率晶体管，通过反馈来设置输出特性。基于非常简单的设计概念，线性电源具有调节精度高、波纹和噪声低以及对线路和负载变化的响应出色等优点。但是，对于基于PXI的电源设计来说，其物理尺寸大、效率低（5%至60%）以及因此导致功耗大等缺点，很大程度上并不适用。虽然PXI规范为每个插槽提供约20 W的冷却功率，但这不足以满足传统ATE系统所需功率。

最近测试系统中采用的一种实现精确电源的方法是开关稳压。开关稳压包括晶体管快速开关整流，其占空比决定输出电压。因此，晶体管的定时调节决定输出电压的精确度。该方法的优势在于其效率远高于线性方法，通常范围为65%到90%左右，因此散热性能更好。通常情况下，每个组件的重量也相对较轻，便于控制物理封装大小。但是，最佳瞬态响应往往较难获得，且必须考虑来自开关组件的电磁干扰。最后，综合上述因素，与线性设计相比，开关设计仍难以在低输出噪声和速度方面胜出。

问题是，如何在极其狭窄的空间中设计高效电源，同时提供客户期望的高性能呢？用于精密电源的单槽PXI模块空间有限，无法容纳大型笨重的散热器和损耗较大的铁质变压器。NI工程师采用传统线性输出与新型FPGA控制前置稳压器电路相结合的方法，来满足这些设计限制。以下内容为详细介绍。

与过去的30 lb电源相比，现代开关电源技术有了极大的改进。从技术上讲，电源尺寸小主要取决于开关速度。通常，开关速度越高，磁性元件越小。20世纪80年代中后期，麻省理工学院和其他机构的研究人员就已经使用1 MHz开关转换器、放大器和稳压器进行实验。过去5年，这项技术的发展甚至超过了人们的预期。但是，如果开关元件损耗过大，因低效而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同样，过去10年中，技术上又获得了重大突破。结合新型电源控制器集成电路，可制造出高效率、大功率甚至低噪音电源，取代传统大型铁壳电源设备。

然而，迄今为止，该项技术进展只是实现了原始的准稳压电压。设计上仍然存在一些挑战，包括编程至0 V、感测从微安到安培的电流、为负载和编程输入提供快速响应等。解决这些问题（并提供卓越的噪声性能）的最佳方法是使用传统的线性电路。因此，最佳的整体解决方案是结合使用线性技术和开关技术。

此外，现成即用的D类放大器也是高性能电源设计的一个选择。遗憾的是，NI工程师认为，尽管这些创新设备适用于高效驱动扬声器等音频应用，但它们在需要精确直流输出的应用中存在局限性。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路输出可编程直流电源结合了传统线性和开关电源技术，通过将开关配置为跟踪稳压器，从而在可编程输出电压上创建一个具有可变裕量的范围。最终得到的模块包含2个隔离通道（一个0 V～+20 V，另一个0 V～-20 V），以及单个非隔离通道（0 V～6 V），每个通道均可最高输出1 A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 Technologies LT1970功率运算放大器，具有可调精密限流功能。LT1970具有实现PXI电源的若干优点，尤其是其小巧尺寸和对ATE应用极为有用的“即时”电流限制。传统上，可以将其称之为“VI控制块”，因为它支持根据输入设置和输出负载对输出进行恒压或恒流控制；通过离散运算放大器、二极管和电阻实现。该VI控制块构成了传统源/测量单元(SMU)的核心部分。因此，PXI-4110可通过LT1970 VI控制块实现类似SMU的功能。

图1：Linear Technology LT1970是PXI-4110电压/电流控制块的核心。

由于所需的输出电压和电流大于LT1970所能提供的范围，模拟“转换”电路可用于处理输出范围。此时需要同时按比例度量输出控制及测量。图2所示为这种双向转换的基本框图。在设计转换过程中，必须注意以下关键细节：

• 必须将输出电压一直调至0 V
• 必须能够在0 V电压的亚微安培泄漏电流下同时测量电压和电流
• 必须从任何输出负载或电容接收足够的电流，以快速响应，即使接近0 V也是如此
• 必须能够承受输入过压条件

图2：线性稳压部分用于提供源/测量极低的电压和电流。

LT1970的作用与运算放大器相同，可为驱动离散输出设备提供所需的输出电压转换。每个通道使用一个离散MOSFET输出元件，输出电流可提升至LT1970的10倍以上，输出电压为LT1970的3倍以上。同样，高速运算放大器/FET组合用作电流感测转换器，使分流器两端出现的电压降回到LT1970工作范围内。最后即可获得用于各类负载，且具有优异瞬态响应及稳定性的快速控制循环。该电流感测转换器还针对动态范围和噪声进行了优化，可检测低至0 V的电压和低至亚微安的电流。

在非隔离通道0上，开关转换器为Linear Technology LT1773升压-降压转换器，可为输出提供动态稳压。通道0的控制输出通过信号调理反馈到LT1773，导致LT1773输出电压“浮”于通道0的输出电压上零点几伏。结果就是获得了一种极其节能的开关设计，具有线性稳压器的所有优点。

直接将上述跟踪稳压器与输出放大器组合使用，可解决非隔离通道的问题。对于隔离通道1和2，开关稳压器包含一个相对简单的大功率DC-DC转换器，工作频率约为200 kHz。转换器的输入驱动由FPGA合成，FPGA可改变应用于开关MOSFET的驱动信号的占空比。FPGA具有智能软启动和斜坡上升的优点，可“软化”来自PXI背板的瞬态电流，从而使PXI-4110在能够在符合PXI规范情况下工作。

尽管在有隔离通道的配置中，因电气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模数转换器(ADC)及数据路径，提供了电流及电压的回读。该ADC始终监测输出电压和电流；因此，如果能够将其切换为“监测”线性输出放大器提供的原始输入范围，则可以将该信号用作隔离反馈。然后，FPGA可用于调制FET驱动至DC-DC转换器的占空比，从而有效提供由数字控制的软件在环PID算法以处理线性部分的预调节输入。所有以上的功能都可通过设计中已有的器件来实现。因此，3U PXI模块经济高效、设计灵活，可根据额外的电源需求进行扩展。

图3：PXI-4110上的非隔离通道使用模数转换器，通过与电流/电压测量回读相同的数据路径控制开关预稳压元件。

使用该软件可配置的控制环路具有以下诸多优点。首先，可以在输出放大器之前知道何处需要使用前置稳压器。图4所示为正确实现这一点的重要性。其次，可定制响应以优化系统效率。最后，根据输入功率是来自PXI背板还是外部电源，来调整控制算法以优化性能。重要的是，来自PXI背板的功率必须满足所有产品的PXI电压规范。

图4：PXI-4110上FPGA中实现的PID控制算法可分析并修正负载或输入功率的所有变化，以确保前置稳压器功率输出足以用于线性部分。

NI工程师发现仅调节电压远远不够。相反，他们决定通过调节线性稳压器的功耗来获得最佳响应。其原因如图5所示。DC-DC转换器在负载较小且以低占空比运行时，其表现更像电流源而非电压源。如果突然在电流源的输出端施加负载，输出就会迅速下降。因此，需要更多的电压裕量，留给PID充足时间做出响应。这可以通过功率调节来实现，在小负载条件下，电源调节会自动调大输出电压裕量。

图5：PXI-4110调节功率（而非电压）来补偿负载的急剧变化。始终保持充足裕量可以避免前置稳压器范围和输出电压之间发生“冲突”。

体现灵活性的另一个例子是优化从输入电源（在本例中为PXI背板）获取的功率。由于PXI机箱的可用功率有限，因此必须为高于9 W的应用提供辅助电源。但是，许多应用的功率水平低于9 W，在这种情况下，不应要求客户补充PXI背板的功率。该方法使用不同的PID设定点（存储在FPGA上）从PXI背板和辅助电源供电。如果所需功率大于PXI背板的可用功率，则可以改变PID设定点，以在效率和阶跃响应之间进行更优化的折衷。

PXI-4110的设计大量使用LabVIEW图形化编程语言仿真软件PID，然后将代码转换为VHDL以在FPGA上运行。这使得工程师在识别各种用例和输出负载条件后，可灵活快速地尝试各种想法。例如，为了保证前置稳压输出响应输入阶跃变化请求，PID的占空比默认设置可以在预定的时钟周期内支持1 A满载输出。因此，如果请求输出状态和输出负载的组合需要满载电流，线性输出将始终具有充足裕量。如果不使用LabVIEW作为仿真器和“沙盒”，则很难综合控制程序框图及其例外情况。

客户对电源供应商更迫切的要求之一是亚微安范围内的电流测量灵敏度。传统电源的测量值不会低于几毫安。对于上述要求，客户被迫使用SMU或其他测量产品，其成本可能是电源成本的2到3倍。为了将精密产品集成到系统中，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提升到亚微安级的灵敏度，从而满足了上述用户的需求。其输出分辨率和测量回读灵敏度比传统电源高100至1000倍。这大大降低了系统成本、首次测量时间和所需的工作台空间。灵敏电流测量的应用包括半导体器件特性分析、IV曲线跟踪和电池供电系统中的泄漏电流测试。

PXI-4110的市场调研阶段显示，大量应用仅需几瓦特的输出功率，可直接由PXI背板供电。客户不愿为这些应用提供外部电源。另一方面，单个PXI插槽的可用功率无法满足10 W以上的应用需求。因此决定将PXI-4110设计为可同时满足以上两种需求。NI APS-4100辅助电源是PXI-4110的附件，用以满足大功率应用的需求。

早期实验表明，一个设备支持两种电源并非易事。例如，如果正在使用的外部电压源忽然失效，PXI背板产生的电源浪涌将超出PXI规范（甚至会触发保护保险丝）。这就需要适当的硬件和控制软件来“锁定”可能导致从PXI背板获取或施加过多功率的情况。图7对这一概念进行了说明。

图7：PXI-4110的输入电源来自PXI背板或外部11－15.5 V电源。

在ATE系统和实验室环境（包括学术环境）中，可编程电源的鲁棒性至关重要。在ATE系统调试期间，电源输出可能会意外连接到错误的位置。在实验室环境中，节点通常会意外短接或错接。因此，PXI-4110可适应多种过载条件。以下是PXI-4110关键保护元件的总结：

• 通道输出保护－当然，每个通道均可通过编程限制电流和电压。此外，每个输出都有反极性电压保护。输出保险丝作为最后一道防线提供额外保护，防止灾难性故障。板载备用保险丝可在需要时将停机时间降至最低。

• 辅助功率输入保护－辅助功率输入分别支持为通道1和2（+20和-20 V）提供高达20 W的功率。由于PXI-4110可以使用外部电源设备，因此必须采取适当的措施来保护模块。

• 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。但是，如果发生故障（例如，机箱风扇过滤器积灰、进气口堵塞或机箱风扇故障），输出通道就会关闭并发出警告。过热情况需要用户软件干预才能重置，从而防止模块在出现此类系统故障时温度过高。
  

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，PXI-4110的主要区别在于编程和测量速度以及通信总线。

事实上，PXI-4110围绕PXI总线构建，可显著优化编程和测量速度。132 MB/s的PXI总线速度大幅简化了发送程序参数和恢复数据功能。3个通道均需要采集电压/电流编程和测量参数以及状态信息（合规限制、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可在微秒内传输数据，而传统仪器总线架构（GPIB或RS232）则需要几毫秒或几十毫秒。因此，对于PXI-4110来说，软件和数据路径开销可忽略不计。

与传统测量方法相比，PXI-4110测量架构的速度优势也很明显。集成ADC架构通常用于电源测量。这些ADC在处理噪声方面具有优势，但在优化速度方面的用户灵活性不足，尤其是动态激励响应设备（如精密电源或SMU）的ADC。使用多通道电源时，较慢的ADC在采集表示输出状态所需的多个参数时会产生大量开销。

图8所示为PXI-4110所用架构。该架构基于NI高速数据采集系统中使用的类似测量引擎。这些ADC为采样率200 kS/s、16位高带宽转换器，一个用于非隔离通道，另一个用于其他两个隔离通道。如前所述，ADC既用于测量回读，也用于PID控制。测量的网络循环速度在3 kS/s范围内。换言之，每300 µs，测量引擎返回6个测量值，即3个通道中每个通道的电压和电流输出（以及PID循环数据）。这足以同时观察所有通道的稳定时间（毫秒级的上升时间），并且比用户所需的任何激励-响应阶跃波形都快。

图8：PXI-4110的测量架构支持在通过PXI背板向用户回传数据之前快速读取每个通道上的电压/电流。

通过对多次测量结果取平均值，可获得最佳噪声性能。默认设置为对每10个测量点求一次平均，但用户可以根据需要选择和修改该默认值。使用基于MEMS的高速数字隔离器，隔离数据以10 Mb/s的速度在串行数据通道中传输。

随着现代自动化测试系统中可用空间的不断缩小以及对性能的高度重视，创新性的电源设计也必须跟上发展步伐。PXI-4110 3路输出可编程直流电源采用开关电源和线性电源设计的最佳元素，提供高分辨率的紧凑型电源，并可安装在单槽的3U PXI模块中。该产品与其他一流模块化仪器（如PXI模块）配合使用时，可进一步提高用户开发灵活、高效测试系统的能力，轻松应对任何行业挑战。

相关链接：
NI PXI-4110可编程电源
NI模块化仪器