串聯 NI PXI-4130 電源量測元件 (SMU) 的輸出通道

穩定電壓模式： 可提供較高輸出電壓的序列串聯方式

NI PXI-4130 的 Channel 1 屬於隔離通道，所以可以和其他輸出通道串聯成序列通道，進而提供更高的輸出電壓。 請注意 SMU 的輸出電壓不可以超過 +/- 60 VDC 的通道對接地規格。 換句話說，PXI-4130 的每個輸出端與接地之間必須維持在 +/-60 VDC 以內。 在 +/- 60 VDC 的隔離範圍內最多可堆疊 3 個 PXI-4130，不需要任何外接電路。 圖 1 為連接 2 個 PXI-4130 的方式，可以 2A 的電源吸入效能達到 +/- 40 V：

圖 1. 串聯 2 個 PXI-4130 以提供 40V 的電力 (2 個 SMU 都已設為穩定電壓模式)

由於隔離電壓已從 -60 VDC 擴充為 +60 VDC，只要將 2 個堆疊起來的 PXI-4130 中央通道接地，就可達到最高 120V 的差動電壓。 這時可以選擇直接接地，也可透過 10k ~ 100k ohm 的電阻器。 這樣可確保 SMU 的輸出通道不會超過 +/- 60 VDC 的隔離限制。 圖 2 為 4 個 SMU 堆疊起來，並且透過電阻器將中央通道接地。 請注意，PXI-4130 上方的 Hi 端點與接地之間為 +40 VDC，PXI-4130 下方的 Lo 端點與接地之間則是 -40 VDC，兩者皆維持 +/- 60 VDC 的隔離限制。

圖 2. 共有 4 個 PXI-4130 串聯起來，中央通道接地，以 2A 的電源吸入效能提供 -40V ~ +40V (80V 差動，且所有 SMU 都已設為穩定電壓模式)

穩定電流模式： 可提供較高輸出電壓的序列串聯方式

如果電流來源的電壓準位必須高於單一 SMU，或許可以組合 2 個 SMU 通道，其中一個設為電壓模式，另一個設為電流模式。 將一個 SMU 設為電流模式且另一個為電壓模式後，組合起來的電力供應還是屬於電流供應模式。 最好不要把 2 個 SMU 都設為電流模式的原因是，每個 SMU 的壓降 (Voltage Drop) 可能會不一樣。 其中一個 SMU 可能會向上漂移，造成絕大部分的電壓下降，而另一個 SMU 可能會向下漂移，造成絕少部分的電壓下降。 如果要把電力吸入 PXI-4130 的話，負載平衡就會變得很重要，因為每個裝置的最大電力損耗為 10 W。

假設有個 500 mA 的電源供應器，電壓必須限制為 30 V。 如要達到此設定，就必須堆疊 2 個 PXI-4130，並且設定為能以 15 V 的效能吸入或供應 7.5 W。
就算其中一個電源供應器設為電壓模式，但還是會以穩定電流模式運作，因為另一個設為電流模式的 SMU 會負責維持電流準位。 請參考下方的表 1 與圖 3，了解 2 個 PXI-4130 的設定方式。  

表 1. 2 個 PXI-4130 組合，皆設為穩定電流模式

圖 3. 2 個 PXI-4130 組合，提供 500 mA 電流且限於 30 V

如要堆疊數個 SMU，最好的做法就是使用最上方的 SMU 來執行電流量測。 雖然理論上組合起來的 SMU 電流都會相同，但可能有少量的共模 (common mode) 電流會流向位置較低的 SMU，此 SMU 會以電容反饋 (couple back) 至地面。 為了盡可能提高量測效能，最好使用頂端的 SMU 來執行量測作業。

穩定電壓與電流模式： 可提供較高電流的平行串聯方式

如果把兩個電源供應器設為相同的電壓準位，所有通道電路的次要變化就可避免各通道的電壓準位完全一模一樣。 因為 PXI-4130 的 Channel 1 屬於四象限供應器，這些次要變化可能會造成其中一個通道試圖控制另一個通道，這些通道所供應的電流還可能會出現意外行為或失配狀況。 其中一個 SMU 輸出通道會開始吸入其他 SMU 所提供的電流，因此無法把電流直接導入 DUT。 如下方圖 4 所示，如果預計每個 SMU 都會提供 2 A 電流給 DUT (一共 4 A)，那麼 i _DUT = i₁ + i₂ = 4 A。 但如果 SMU 2 開始吸入 SMU 1 的電流，那麼導入 DUT 的淨電流就不會是 4 A，而是 i DUT = i₁ -  i₂ < 2 A。這樣一來，SMU 就無法一起提供必要的 4 A 電流給 DUT。   

圖 4. 2 個 PXI-4130 影響彼此運作： SMU 2 吸入 SMU 1 所提供的電流

但幸好只要在每個 SMU 的輸出通道使用二極體，確保電流遵循單一方向，就可以避免這種狀況。 如要抵銷二極體可能會出現的 0.3-0.7 V，可以直接在 DUT 端點之間設定遠端感測 (Remote Sense)，確保 DUT 會出現已設定的正確電壓。 圖 5 為 2 個 PXI-4130 設定，以電壓模式吸入或供應正電流。

圖 5. 2 個 PXI-4130 平行吸入/供應更高的正電流

一樣的道理，圖 6 為相同的設定，只是顛倒二極體方向，以電壓模式吸入或供應負電流。 就電流模式的運作狀況而言，圖 5 與圖 6 的連接方式完全一模一樣；但是 SMU 必須設為電流模式而非電壓模式。 請注意，採用遠端感測功能時，電壓準確度規格會增加，每伏特的引線壓降 (Lead Drop) 至少為 +/- 120 uV。 如需更多資訊請參考 PXI-4130 規格。

圖 6. 2 個 PXI-4130 平行吸入/供應更高的負電流

結論

因為隔離通道設計的關係，所以可組合多個 NI PXI-4130 電源量測元件 (SMU) 通道，處理比單一 SMU 通道更多的電壓或電流點。 雖然本文說明了常見範例，使用者最好先針對特定負載測試 SMU 組合，確保系統能夠有效的穩定運作。