電源供應器基本原理：作業、遠端感測、漣波與雜訊模式

DC 電源供應器常用於研究、設計、開發與生產應用程式，是一種可向連線裝置供應 DC 電源的儀器。視情境而定，連接至電源供應器的裝置可稱為負載、受測裝置 (DUT) 或受測單元 (UUT)。為了對 DUT 進行特性分析，或是測試 DUT 是否如預期般運作，許多 DC 電源供應器都能夠同時供應電源並量測 DUT 所消耗的電壓或電流。一般而言，電源供應器會提供穩定電流或穩定電壓，並監控所造成的電壓降或電流消耗情況。使用電腦與裝置通訊，即可將可程式化 DC 電源供應器自動化。部分可程式化 DC 電源供應器可將輸出序列或量測儲存在內建記憶體中，而其他可程式化 DC 電源供應器則只能處理立即進行的行動。

^{圖 1.多數 DC 電源供應器都是在象限 I 中運作，並提供正電壓與正電流，或是在象限 III 中運作，並提供負電壓與負電流。}

請見圖 1 中的 I-V 圖，多數 DC 電源供應器都是在象限 I 中運作，並提供正電壓與正電流，或是在象限 III 中運作，並提供負電壓與負電流。計算 DC 電源的公式是 P = V x I。在象限 I 中，電壓與電流都為正；在象限 III 中，電壓與電流都為負。在這兩種情況下，在電源公式中代入數字都會獲得正的電源輸出，這稱為源極。在象限 II 與象限 IV 中運作會造成負的電源輸出，這稱為汲極。在源極的情況下，電源是在供應器中產生，並在 DUT 中消耗。在汲極的情況下，電源是在 DUT 中產生，並在供應器中消耗。

稱為電源量測單元 (SMU) 的部分裝置，可在所有 4 個象限中運作，並供應與汲取電源。您可將 SMU 想像成一種理想的可充電電池。當您將電池連接至充電器時，電池會消耗 (也就是汲取) 充電器的電源。接著，當您中斷電池與充電器的連接，並使用電池向閃光燈供電時，電池就會成為向燈泡提供電源的源極。SMU 通常用於對電池、太陽能電池、電源供應器、DC-DC 轉換器或其他發電裝置進行特性分析。

另一個讓 DC 電源供應器與 SMU 之間有所不同的因素，是精確度。部分應用的要求特別高，且需要的精確度也比典型的電源供應器所能提供的更高。SMU 通常在 µV 或 pA 範圍具有高精確度，這也是為什麼當供應值與量測值的準確度至關重要時，以及應用需要的靈敏度高於典型電源供應器時，大家偏好選擇 SMU 的原因。 若精確度對您的應用而言格外重要，請參見我們的《類比樣本品質：準確度、靈敏度、精確度與雜訊》技術文章以深入了解。

除了應了解供應電源與汲取電源之間的差別之外，您也必須了解穩定電壓模式與穩定電流模式之間的差別。可程式化 DC 電源供應器可在穩定電壓模式或穩定電流模式中運作，端視您所需的輸出準位與負載條件而定。

穩定電壓模式

穩定電壓模式有時亦稱為電壓控制模式，在此模式中，電源供應器會以電壓來源的方式運作，讓輸出端子間的電壓保持穩定，同時電流輸出則會變動，端視負載條件而定。若負載電阻改變，則根據歐姆定律 (V = I x R) 所述，供應電流也必須依照比例改變，以維持電源供應器輸出電壓準位。若 DUT 的電阻突然下降，接著電源供應器就會增加電流，以保持電壓穩定。

當使用可程式化 DC 電源供應器時，您可以設定所需的電流限制。若負載試圖取用的電流高於程式化電流限制所允許的電流，接著電源供應器就會開始以符合規範的方式運作，這表示電源供應器無法在不違反現行之使用者程式化電流限制的情況下，達到所要求的輸出電壓準位。此時，電源供應器會切換至穩定電流模式，且電流會保持符合電流限制。這個重要的負載電阻準位稱為限制電阻，將電壓設定點除以電流限制即可計算出限制電阻。限制電阻的其他常見名稱為臨界電阻與交越電阻。

例如，假設您希望向 DUT 供應穩定的 5 V (VS = 5 V)，而該 DUT 一般會提供 50 Ω 負載電阻 (RL = 50 Ω)。此外，您決定將電流輸出限制為 300 mA (IS = 0.3 A)，以免使 DUT 受損。使用限制電阻公式 (RC = VS / IS)，可計算出若要讓輸出維持在穩定電壓模式中運作，則最低負載電阻是 16.67 Ω。若負載電阻會發生波動，但可維持在 16.67 Ω 以上，則電源供應器可繼續提供穩定的 5 V。若 DUT 故障，使負載電阻下降至 16.67 Ω 以下，則電源供應器就會開始以符合規範的方式運作，並切換至穩定電流模式，在少於 5 V 的電壓準位下，輸出穩定的 300 mA。

^{圖 2.當輸出穩定電壓時，您可設定電流限制以保護 DUT}

穩定電流模式

穩定電流模式基本上與穩定電壓模式相反。穩定電流模式亦稱為電流控制模式，在此模式中，電源供應器會以電流來源的方式運作，讓流經輸出端子的電流保持穩定，同時輸出電壓則會變動，端視負載條件而定。參照歐姆定律，若負載電阻改變，則電壓也必須以合適的方式改變，以維持穩定的電流。若前一範例中的 DUT 故障，並造成負載電阻下降，接著電源供應器就會依照比例減少輸出電壓，以維持電流穩定。例如，當控制可能因高電流而受損的 LED 時，就適合採用穩定電流作業。

穩定電流模式也會受到可配置電壓限制所限制，並施加類似穩定電壓模式的限制電阻。您可使用與穩定電壓模式一節中的相同計算方式，以計算穩定電流作業的限制電阻。不過，就穩定電流模式而言，負載電阻必須保持低於限制電阻，以維持所需的穩定電流。圖 2 說明了穩定電壓模式與穩定電流模式兩者的限制電阻概念。

有一種獨特應用需要兼具穩定電壓與穩定電流作業，那就是為鋰電池充電；鋰電池是常見的可充電電池類型，因為其具備能量密度、沒有記憶效應，且未使用時的充電量損耗速度緩慢，所以會用於可攜式電子裝置中。若要為鋰電池充電，電源供應器應施加穩定的電流，並監控電池電壓，直到電池達到最高電壓為止。在鋰電池完全充電後，電源供應器應切換至穩定電壓模式，此模式可提供所需的最低電流，讓電池可維持在其最高電壓。

多數可程式化 DC 電源供應器的主要功能之一，就是能夠量測產生的電流與電壓。對於許多應用而言，此功能十分重要，例如 I-V 曲線追蹤就是一例，因為其必須針對多個電壓設定點量測電流消耗。可程式化 DC 電源供應器的量測作業與多功能數位電錶 (DMM) 的量測功能類似。就像任何量測裝置一樣，您需要在執行量測的速度以及量測中的雜訊量之間做出取捨。

若要進行這類量測，請選擇一款量測方法適用於您環境的可程式化電源供應器。例如，NI 提供 NI-DCPower，並搭配適用於許多常見程式設計語言的 API，以及 InstrumentStudio，讓您可用來進行輕鬆且有效率的互動式量測作業。 

在準確供應或量測精確電壓所面臨的其中一項挑戰，就是引線電阻對 DUT 之電壓所造成的影響。雖然引線電阻皆一律存在，但當使用極長的小線規接線時，就可能成為問題。表 1 針對不同線規的銅線，提供了其典型電阻。雖然一般情況下，導電電阻僅有數歐姆，但這些小型電阻可能會對 DUT 接收的電壓造成大幅影響，特別是當 DUT 的內部電阻為小型電阻時，情況更為嚴重。

^{表 1.接線的引線電阻可能會對 DUT 接收的電壓造成大幅影響。}

圖 3 所示為一般電路圖，該一般電路包含電源源極儀器，以及將電源連接至 DUT 的引線。在此案例中，引線是 24 英呎長的 26 AWG 銅線，因此對將電源連接至 DUT 之正引線與負引線所造成的引線電阻，皆為大約 1 Ω。從電源供應器輸出的電流會在 Rlead1 與 Rlead2 中造成電壓降，導致 RDUT 中的電壓少於 V_source。

^{圖 3.此處所示的範例連接圖為典型的可程式化 DC 電源供應器，可用來計算 DUT 所接收的電壓。}

假設將電源設定為 5 V 輸出，而 DUT 具有 1 kΩ 的阻抗，則可使用下列方程式計算 DUT 端子的實際電壓。

就初始情況而言，所得的實際電壓僅為 4.99 V。對某些裝置來說，這項微小的變化並不會構成問題；不過，對需要根據作業電壓進行精確特性分析的應用程式來說，這項錯誤可能事關重大。此外，若為具有較低輸入阻抗，且因此會取用大量電流的裝置而言，DUT 處的實際電壓可能會大幅低於電源供應器輸出處的電壓。表 2 列出了根據範例 DUT 輸入阻抗的較低數值，該範例 DUT 的電壓值。

^{表 2.若為具有較低輸入阻抗的裝置，則由於引線電阻使然，在 DUT 處觀察到的電壓可能會大幅低於電源供應器輸出處的電壓。}

若要解決引線電阻所造成的電壓錯誤，則必須使用遠端感測，也就是 4 線式感測。此技術原理就是在 DUT 處直接量測電壓，並據此進行補償，以達到跨引線電阻的電壓降。此方法相似於多功能數位電錶執行 4 線式電阻量測的方法，可移除電阻量測的引線電阻影響。多數電源供應器、SMU 與多功能數位電錶的輸出均具有 2 個額外端子，以進行這種 4 線式遠端感測技術，且這些額外端子可直接連接至 DUT，如圖 4 所示。雖然遠端感測所使用的接線仍具有引線電阻，但由於電壓量測屬於高阻抗量測，因此將不會有電流流經感測接線，亦不會產生電壓降。

^{圖 4.遠端感測是 4 線式連接技術，可排除引線電阻的影響。}

漣波與雜訊

為應用選擇可使用的可程式化 DC 電源供應器時，請務必將輸出漣波與雜訊納入考量，而漣波與雜訊有時也稱為週期性與隨機性偏差 (PARD)。實際的雜訊為隨機性，且當檢視頻域中的雜訊時，會發現其散布在所有頻率中，而漣波一般則為週期性。為了將來自電源插座的交流 (AC) 電源轉換為所需的 DC 準位，因此需要進行 AC 轉 DC 整流，此時即會帶來漣波。視電源供應器使用的調節類型而定，漣波可能具有一種或兩種基本頻率。

DC 電源供應器一般使用線性或切換調節，以將 50/60 Hz AC 電源轉換為 DC 電源訊號。線性調節電源供應器使用 AC 轉 DC 轉換器，以將線性電壓轉換為穩定的 DC 輸出。因此，線性調節電源供應器的電壓輸出一般具有 50/60 Hz 的低頻率漣波，以及任何存在的額外雜訊。線性調節電源供應器一般具有低漣波與雜訊，不過也具有低效率、大尺寸，並且會產生更多熱。另一方面，切換電源供應器會將 50/60 Hz 電流轉換為更高的頻率，因此除了 50/60 Hz 的低頻率漣波之外，也會產生部分週期性的高頻率漣波。切換電源供應器一般較為精巧、產生的熱較少，且較有效率，但其非常容易受到高頻率雜訊影響。圖 5 顯示了高頻率漣波與隨機雜訊的圖形。

^{圖 5.在電源供應器中，雜訊一般為隨機性，且散布在所有頻率中，而漣波則為週期性。}

此外，可程式化 DC 電源供應器的傳輸可能會受到環境雜訊影響，且環境雜訊會增添在任何既有系統雜訊之上。為了降低環境雜訊的影響，在可行時使用包覆式雙絞線接線至關重要。

上升時間與趨穩時間

上升時間與趨穩時間，是電源供應器能否達到所需電壓位準並穩定維持的主要指標。具體而言，上升時間是指輸出從設定輸出的 10% 轉至 90% 的所需時間長度。趨穩時間則是指輸出通道穩定維持在指定最終值百分比內的所需時間長度，且包含上升時間在內。

圖 6 說明了電源供應器輸出從 0 V 轉變為 10 V 的上升時間與趨穩時間。

^{圖 6.上升時間與趨穩時間，是電源供應器能否達到所需電壓位準與穩定維持的主要指標。}

上升時間與趨穩時間是重要的電源供應器規格，因為其會直接影響量測時間，讓您在可進行下一個量測作業之前，需要花更多時間等待電路從暫態回復。對於降低量測時間也可以降低整體成本的情況而言，例如自動化測試系統等，量測時間格外重要。

暫態響應

暫態響應一般指系統對平衡的改變所做的回應。就 DC 電源供應器而言，暫態響應指電源供應器為了回應負載電流突然改變的情況，而在穩定電壓模式下運作的方式。如電流脈衝等負載電流改變，可能會造成較大的電壓暫態，如圖 7 所示。由於電源供應器的內部控制電路會補償負載電流的改變，電壓即會回穩至所需的位準。電源供應器的暫態響應，說明了暫態回復至特定電壓設定百分比範圍的所需時間。一般而言，暫態響應表示在負載電流出現 50% 的改變後，回復至電壓設定點的某個百分比的所需時間長度。例如，在負載電流出現 50% 的改變後，某個裝置可能可以在 50 微秒內回復至原始電壓設定點的 0.1%。

^{圖 7.對電流脈衝的暫態響應}

假設在某種應用中，DUT 電阻突然下降導致發生電流脈衝時，那麼電源供應器的內部控制電路針對負載改變進行補償之前，會先發生暫態電壓驟降。電源供應器的暫態響應規格與上升時間以及趨穩時間類似，都至關重要，因為其可能會影響量測時間。如欲取得更多相關資訊，以了解暫態響應與負載考量，請見《電源供應器線性、負載調節與級聯考量》技術文章。

隔離

隔離是於實體上及電氣上將量測或源極裝置的 2 個部分分開的方法。電氣隔離的目的，在於消除 2 個電氣系統之間的接地路徑。透過提供電氣隔離，即可中斷接地迴路、提升電源供應器的共模範圍，並以準位轉換方式，將訊號接地參考轉換至單一系統接地。若您考慮級聯電源供應器的輸出，以延伸電壓與電流範圍，那麼電源供應器隔離規格即特別重要；在《電源供應器線性、負載調節與級聯考量》技術文章中，更詳細地說明了前述相關資訊。

通道對通道隔離為最可靠的隔離拓撲。此拓撲中的每個通道，都會與其他通道以及其他非隔離性系統元件相互隔離。此外，每個通道都有專屬的隔離電源供應器。

NI 提供適用於機架底座式與 PXI Express 系統的可程式化電源供應器，可進行我們在前述章節中探討的所有作業。

PXI 可程式化電源供應器可在單一 PXI 槽中，提供最高達 120 W 的功率，如此即可省下測試系統中昂貴的機架空間。完全可程式化的電源供應器具有可將儀器從 DUT 隔離的輸出中斷繼電器、可針對系統接線損耗進行修正的遠端感測功能，以及透過 PXI 平台進行的整合式時序與同步化功能。 

如有較高的輸出功率需求，請選擇 NI 的可程式化電源供應器裝置，其能以完整或 1/6 機架寬度的機架底座規格，提供可程式化 DC 電源。 可程式化電源供應器裝置是一種單通道、機架底座式 DC 電源供應器。 某些型號可以在精巧設計中供應數百瓦的功率，使其成為需要多個電力軌之測試系統的理想選擇。

• 可程式化 DC 電源供應器常用於研究、設計、開發與生產應用，是一種可向連線裝置供應電源的儀器。
• 在源極的情況下，電源是在供應器中產生，並在 DUT 中消耗。在汲極的情況下，電源是在 DUT 中產生，並在供應器中消耗。 
• DC 電源供應器是在象限 I 或 III 中運作。SMU 則可在所有 4 個象限中運作。
• 可程式化 DC 電源供應器可在穩定電壓或穩定電流模式中運作。 
• 在穩定電壓模式中，電源供應器會以電壓來源的方式運作，讓輸出端子間的電壓保持穩定，同時電流輸出則會變動。
• 在穩定電流模式中，電源供應器會以電流來源的方式運作，讓電流保持穩定，同時輸出電壓則會變動。
• 若負載超出限制電阻，並超過電流或電壓限制，接著電源供應器就會開始以符合規範的方式運作。
• 遠端感測是 4 線式連接技術，可排除引線電阻的影響。
• 漣波是一種週期性雜訊，當為了將來自電源插座的 AC 電源轉換為所需的 DC 準位，因此進行 AC 轉 DC 整流時，就會導致漣波。
• 上升時間與趨穩時間，是電源供應器能否達到所需電壓位準與穩定化的主要指標。
• 暫態響應指電源供應器為了回應負載電流突然改變的情況，而在穩定電壓模式下運作的方式。
• 透過提供電氣隔離，即可中斷接地迴路、提升電源供應器的共模範圍，並以準位轉換方式，將訊號接地參考轉換至單一系統接地。