NI PXI-4110 可程式化的電源供應架構：以 3U PXI 機型提供速度、功能與精確度

最早期的可程式化電源供應器設計以「線性調節」(linear regulation) 為主，藉此提供穩定的輸出電壓。其中包含以線性 (class A) 模式運作的功率電晶體，其回饋可設定輸出特性。線性電源供應器的設計概念很簡單，優點在於精確調節、低漣波與雜訊、出色的線路和負載變更響應功能。然而，線性電源供應器的缺點卻非常致命，因而無法成為 PXI 架構電源供應器設計的優先考量，例如龐大體積、低效率 (5% ~ 60%)、高耗電量等問題。雖然 PXI 規格可提供每插槽大約 20 W 的冷卻功能，卻無法滿足 ATE 系統常見的功率需求。

「切換調節」(switching regulation) 是近期才獲得肯定的方式，其可提供準確的功率給測試系統。切換調節需要使用電晶體，其透過工作週期快速改變輸出電壓的方向。因此，電晶體的時序調節功能可以決定輸出電壓的精確度。這種方式可提供更出色的效率，其遠勝過線性電源供應器，通常是 65% ~ 90% 以上，冷卻效能也更優異。每個元件的標準重量偏低，因而有助於控制整體系統的體積。然而，要達到理想的暫態響應卻比較困難，必須考慮到切換元件的電磁介面。最後整體而言，還是很難超越線性設計所提供的低輸出雜訊與速度優勢。

到底要怎麼做，才能在非常有限的空間內，設計出高效率的電源供應器，同時又能提供客戶所需的出色效能？如果要透過單插槽 PXI 模組來設計精確電源供應器，就這樣的空間限制而言，便無法再容納笨重的散熱卡與能量耗散率高的龐大轉換器。NI 工程師結合了傳統線性輸出方式，以及由 FPGA 控制的創新預調節電路，這有助於克服上述設計限制。接下來會進一步說明相關細節。

現代的切換電源供應器技術經過改良，大幅超越以前的 30 lb 電源供應器。嚴格來說，因為切換速度的緣故，才會需要體積小巧的電源供應器。一般而言，切換速度越高，磁性元件的體積就越小。1980 年代中期到晚期，麻省理工學院和其他地方的研究人員開始實驗 1 MHz 切換轉換器、放大器、調節器的概念。在過去五年內，這項技術的發展出乎預料。但如果切換元件的能源耗散率高，因此必須在切換元件上加裝散熱片，就無法縮減元件的體積，最終造成技術發展受限，無法帶來實質的影響。再次強調，過去十年來的技術日新月異。有了全新的電源供應器控制器整合式電路，這個時期的重點在於打造出高效率、高功率、甚至是靜音的電源供應器，其可取代傳統的舊式龐大電源供應器。

然而，目前為止，技術演變的結果卻只能讓我們得到一半經過調節的原始功率。設計挑戰仍然存在，包含 0 V 程式設計、感測微安培至安培等級的電流、快速響應負載與已設定的輸入等等。如果要解決這些問題 (並提供優異的雜訊效能)，最好方法就是使用傳統的線性電路。總而言之，最理想的整體解決方案就是結合線性與切換技術。

說句題外話，現成的 Class D 放大器也可用來設計高效能電源供應器。不過 NI 工程師認為，雖然這些創新裝置可用於音訊應用，例如有效驅動喇叭，但還是有其限制且需要精確的 DC 輸出。根據我們的判斷，這些限制比潛在好處更為關鍵。

NI PXI-4110 三組輸出可程式化 DC 電源供應器結合了傳統的線性與切換電源技術，並且把切換器設為追蹤調節器，打造出一條軌道，其可在已設定輸出上方保有各種餘量 (headroom)。結果就是具有兩個隔離通道的模組，一個是 0 ~ +20 V，另一個是 0 ~ -20 V，還有一個 0 ~ 6 V 的非隔離通道，每個通道均可輸出高達 1 A 的電流。除了上述的基本功率輸出規格之外，PXI-4110 還提供出色的解析度與低雜訊效能，可做為電壓或電流來源。

PXI-4110 的線性輸出控制如圖 1 所示。線性階段的核心技術就是 Linear Technology LT1970 功率運算放大器，其可調整精確電流限制。如要實作 PXI 電源供應器，LT1970 可提供多種優勢，但這完全與精巧體積或行動電流限制無關，這對於 ATE 應用而言非常有幫助。一般來說，這稱為「VI 控制方塊」(VI Control Block)，因為固定電壓或固定電流可控制輸出，這取決於輸入設定與輸出負載；其通常可搭配分離式運算放大器、二極體和電阻器一起實作。這個 VI 控制方塊可說是傳統電源量測單元 (SMU) 的心臟與靈魂。因此，使用 LT1970 VI 控制方塊，即可提供類似 PXI-4110 SMU 的行為。

圖 1：Linear Technology LT1970 堪稱 PXI-4110 電壓/電流控制方塊的核心。

有越來越多的輸出電壓與電流需求超過了 LT1970 的能耐，所以有了類比電晶體電路來處理輸出範圍。因此必須透過此方式擴充輸出控制與量測效能。圖 2 顯示了雙向轉換的基本方塊圖。設計這種轉換方式時，請記得一些關鍵細節：

• 必須一路把輸出帶到 0 V
• 我們必須能夠量測直到 0 V 的電壓與電流，同時讓洩漏達到亞微安培等級
• 我們必須自任何輸出負載或電容汲取足夠的電流，就算接近 0 V 也可維持出色的響應時間
• 我們必須能夠承受輸入過電壓的情況

圖 2：線性調節階段可供應/量測非常低的電壓與電流。

LT1970 做為運算放大器，可驅動分離的輸出裝置，並轉換成所需的輸出電壓。針對每個通道配備一個分離式的 MOSFET 輸出元件，即可大幅提高輸出電流，超過 LT1970 容量的十倍，LT1970 電壓規定的三倍以上。同樣，高速運算放大器加上 FET 的組合可做為電流感測轉換器，可以把電流分流出現的電壓帶回 LT1970 軌道。其結果就是快速控制迴路，可針對各種負載提供出色的暫態響應與穩定效能。這種電流感測轉換器也針對動態範圍與雜訊經過優化，可感測最低 0 V 的電壓和亞微安培等級的電流。

在非隔離通道 0 上，這個切換轉換器是一個 Linear Technology LT1773 升降壓轉換器，其可針對輸出提供動態調節功能。通道 0 的控制輸出會透過訊號處理反饋至 LT1773，造成 LT1773 輸出在通道 0 輸出上浮動，大約是十分之幾伏特。最後就是功率效率極高的切換設計，同時具備線性調節器的所有優點。

如上所述，結合追蹤調節器與輸出放大器之後，即可處理非隔離通道。有了隔離通道 1 和 2，切換調節器還包含了相對直接的高功率 DC-DC 主換器，其運作速度約為 200 kHz。驅動至轉換器的輸入會由一個 FPGA 合成，FPGA 可改變套用至切換 MOSFET 的驅動訊號工作週期。FPGA 可提供智慧型 Soft-Start 和 Ramp-Up 的好處，其有助於「軟化」PXI 背板的暫態電流，所以 PXI-4110 能夠根據 PXI 規格而運作。

雖然因為直流電隔離的關係 (圖 3)，隔離通道無法提供切換調節器控制的直接類比反饋路徑，這些通道還是配備了隔離式類比轉數位轉換器 (ADC) 和資料路徑，以便提供電流與電壓讀回功能。這個 ADC 會隨時監控輸出電壓與電流；所以，如果切換並讀取線性輸出放大器的原始輸入軌道，就可能把此訊號當作隔離反饋。接著 FPGA 可用來調變 FET 驅動至 DC-DC 轉換器的工作週期，可有效提供一個數位控制、軟體迴路的 PID 演算法，以便管理輸入至線性階段的預調節輸入。只要使用原有的元件 (用於其他用途)，即可滿足上述需求。結果就是 3U PXI 模組的靈活設計，不僅兼具成本效益，還可以根據不同的電源供應需求而擴充。

圖 3：PXI-4110 的非隔離通道採用一個類比轉數位轉換器，透過電流/電壓量測讀回的相同資料路徑，即可控制切換預調節元件。

使用這種軟體設定的控制迴路有許多優點。首先，可以搶在輸出放大器之前，預測預調節器的需求。圖 4 說明了正確實作的重要性。其次，可調整響應以便優化系統效率。最後，取決於輸入功率是否來自 PXI 背板或外部來源，我們可以調整控制演算法，進而優化效能。務必小心管理來自 PXI 背板的功率，這樣才能符合整體產品的 PXI 功率規格。

圖 4：實作於 PXI-4110 內 FPGA 的 PID 控制演算法可分析並修正負載或輸入功率的所有變化，能確保有充裕的預調節功率輸出可用於線性階段。

NI 工程師發現，僅調節電壓是不夠的。他們注意到，調節線性調節器所散發出來的功率，才能夠達到最佳響應。原因如圖 5 所示。當負載偏輕且工作週期偏低時，DC-DC 轉換器的行為可能會比較類似電流來源，而非電壓來源。如果把負載忽然套用至電流來源的輸出端，輸出就會快速下降。因此，需要更多電壓餘量，才能讓 PID 獲得充裕的響應時間。只要使用功率調節，在輕負載情況下自動調大輸出電壓餘量即可。

圖 5：功率會在 PXI-4110 (相對於電壓) 調整，以補償負載的劇烈變化。還能隨時保持充裕的餘量，避免預調節器軌道與輸出電壓之間「當機」。

還有另一個例子可說明此彈性，輸入電源供應器的電力會進行優化，在此情況下就是 PXI 背板。由於 PXI 機箱可用的電力有限，因此需要為 9 W 以上應用提供補助電源。不過，許多應用都適用於 9 W 以下的功率水準，因此在這些情況下，客戶不必需要補充 PXI 背板。使用這個方式的時候，不同的 PID 設定點 (位於 FPGA) 會用於 PXI 背板的供電來源，相對於輔助電源。如果 PXI 背板所提供的電源無法滿足電力需求，PID 設定點就會改變，並在效能與階次響應之間取得理想平衡。

PXI-4110 的設計廣泛運用 LabVIEW 圖形化程式設計語言 模擬軟體 PID，再將程式碼轉譯成 VHDL，在 FPGA 上執行。這樣一來，工程師即可享有無比的彈性，針對各種使用情境與輸出負載條件，能夠迅速嘗試各種概念。舉例來說，為了確保預調節輸出可以回應輸入階次變更需求，PID 會預設為一個工作週期，可以針對預先設定的工作週期數量接受 1 A 的完整輸出負載。因此，如果所需輸出狀態與輸出負載的組合需要完整電流，線性輸出階段就可隨時提供充裕的餘量。如果未使用 LabVIEW 做為模擬器與「模擬機箱」，會很難合成控制方塊圖與其例外。

對電源供應器廠商而言，還有一個更強制性的客戶需求，那就是亞微安培範圍的電流量測敏感度。傳統的電源供應器不太能夠量測數個 mA 以下的範圍。如要執行這些工作項目，客戶被迫使用 SMU 或其他量測產品，這樣的花費可能是電源供應器的 2 ~ 3 倍。這樣一來就要面對一個難題：把額外的精確產品整合至系統內，或許是切換和其他元件，便會進一步增加系統成本。NI 工程師選擇讓 PXI-4110 具備亞微安培等級的敏感度，並增加了 20 mA 範圍，藉此滿足上述需求。相較於傳統的電源供應器，其輸出解析度與量測讀回敏感度可增加 100 ~ 1000 倍。這樣一來即可大幅降低系統成本、首次量測時間與所需的平台空間。靈敏電流量測應用包含半導體裝置特性測試、IV 曲線追蹤、電池操作系統的洩漏電流測試。

PXI-4110 的市場研究階段顯示，許多應用項目只需要幾瓦的輸出功率，並透過 PXI 背板即可滿足此需求。客戶不會為了這些應用而提供外接電源。另一方面，單一 PXI 插槽可用的功率，這對於需要大約 10 W 的應用而言並不足夠。因此，決定使用 PXI-4110 來滿足這些需求。此外還開發出 NI APS-4100 輔助電源，算是 PXI-4110 的配件，其適用於高功率應用項目。

早期的實驗顯示，針對此裝置支援兩個電源不會白費力氣。舉例來說，如果電力來自外部電源，而且此電力會忽然消失，結果便是來自 PXI 背板的電力突波會超出 PXI 規格 (甚至是保險絲)。必須使用適當的硬體與控制軟體，才能夠「封鎖」可能會造成來自或套用至 PXI 背板的功率過量狀況。圖 7 說明了此概念。

圖 7：PXI-4110 的輸入功率來自 PXI 背板或外部的 11-15.5 V 來源。

就 ATE 系統與實驗室設定 (包含學術環境) 而言，可程式化電源供應器的健全性非常重要。在 ATE 系統除錯期間，電源供應器輸出可能會不小心連接到錯誤的地方。就實驗室設定而言，節點通常會意外短路或連接錯誤。因此，PXI-4110 經過特殊設計，可滿足大量的過載需求。以下為 PXI-4110 保護功能概述：

• 通道輸出保護：當然，每個通道都會透過程式設計限制電流與電壓。此外，每個輸出都會受到保護，不會受到極性反轉電壓應用的影響。輸出保險絲可提供額外的保護功能，可避免災難性的故障狀況，做為最後一道防線。機板上還有一個備用保險絲，必要時可以盡可能縮短故障時間。

• 輔助電力輸入保護：輔助電力輸入可以讓通道 1 和 2 (+20 和 -20 V) 分別供應高達 20 W 的電力。因為 PXI-4110 可搭配外部電源裝置使用，必須採取適當的步驟才能保護模組。

• 過高溫度保護：PXI-4110 的設計非常穩當，可以在內部根據額定上升溫度運作，因為智慧型 PID 可控制輸出裝置。然而，出錯的時候，比如說機箱風扇過濾器太髒、通風口堵塞、機箱風扇故障，輸出通道就會關閉並發出警告。溫度過高的情況會需要使用者軟體介入以便重設，避免系統問題持續發酵，造成模組溫度過高。
  

就自動化測試系統而言，儀器最重要的效能屬性之一就是速度。就電源供應器而言，程式設計/量測速度和通訊匯流排是 PXI-4110 主要的特別之處。

PXI-4110 採用 PXI 匯流排架構，可大幅提升程式設計與量測的速度。透過 132 MB/s 的 PXI 匯流排速度，可簡化程式參數的傳送作業，並加速資料檢索。3 個通道各自需要進行電壓/電流程式設計，再加上量測參數與狀態資訊 (相容性限制、警告、錯誤，或溫度等)，因此需雙向移動的資料總數，將可直逼傳統的匯流排解決方案。PXI 可透過微秒 (Microsecond) 的時間單位移動資料；而傳統的儀器匯流排架構 (GPIB 或 RS232) 則需要毫秒 (Millisecond) 或毫秒的 10s 時間單位。所以對 PXI-4110 來說，軟體與資料路徑的開銷可說是微不足道。

PXI-4110 還具有凌駕傳統量測方式的速度優勢。電源供應器量測一般都會採用整合 ADC 架構。這些 ADC 雖具有雜訊的優點，但可提升速度的彈性卻稍嫌不足，特別在動態的激發響應裝置中，此特性則更為明顯；如精確的電源供應或 SMU 裝置。透過多通道的電源供應，則速度較慢的 ADC 亦可產生大量的負載 (Overhead)，以擷取多個參數並呈現輸出的狀態。

圖 8 顯示 PXI-4110 所使用的架構。它以類似的量測引擎為基礎，適用於 NI 的高速資料擷取系統。量測所使用的 2 組 ADC 為 200 kS/s 取樣率、16 位元解析度的高頻寬轉換器 — 1 組用於單一非隔離式通道；而另 1 組則用於 2 個隔離式通道。如前所述，ADC 可用於量測讀回與 PID 控制。量測的迴路淨速度 (Net loop speed) 約落在 3 kS/s 的範圍中。換句話說，量測引擎可於每個 300 µs 時轉回 6 次量測 — 3 個通道的電壓與電流輸出 (以及 PID 迴路資料)。此速度足以同步觀看所有通道的趨穩時間 (毫秒範圍內的上升次數)，並亦高於任何激發響應步進波形所需的速度。

圖 8：PXI-4110 的量測架構可以在透過 PXI 背板把資料傳回給使用者之前，快速讀回每個通道的電壓/電流。

平均執行每一項量測作業，即可讓量測本身達到理想的雜訊效能。預設平均是 10，不過使用者可根據應用需求選擇並修改預設值。隔離資料會使用高速 MEMS 架構的數位隔離器，快速移向一個 10 Mb/s 的序列資料路徑。

隨著可用空間越來越少，加上現代自動化測試系統的效能越來越重要，必須透過創新的電源供應器設計才能跟上變化的速度。PXI-4110 三組輸出、可程式化的 DC 電源供應器採用了切換與線性電源供應器設計的最佳元素，可透過單槽式 3U PXI 模組提供高解析度的電源。如果把此產品搭配其他世界級的模組化儀器使用，並且做為 PXI 模組的話，還可以幫助使用者進一步開發靈活的高效率測試系統，克服業界任何挑戰。

相關連結：
NI PXI-4110 可程式化電源供應器
NI 模組化儀器