Använd stationära nätaggregats programmerbarhet, nätverksfunktionalitet och ledningsfria fjärravkänningsfunktioner

Strömförsörjningar finns i ett extremt brett sortiment av klassningar, fysiska storlekar och format. Även om det är vanligt att optimera med avseende på storlek, effektivitet och kostnader - speciellt i strömbegränsade tillämpningar som t.ex. bärbar utrustning - finns det situationer där parametrarna för strömförsörjningen måste justeras när en enhet har installerats och används. Detta är särskilt fallet med strömförsörjningar för bänkplacering eller automatiserade testtillämpningar och -miljöer.

Detta har gett upphov till strömförsörjningar som ger varierande flexibilitet på fältet, allt från uppdateringar av fast programvara för effektivitetsoptimering, till konstant fjärrövervakning och -kontroll för att säkerställa noggrannhet, skalbarhet, redundans och effektiv lastbalansering av uppsättningar av strömförsörjningar. Programmeringsfunktioner kan påskynda konstruktion och utvärdering av produkter, förbättra systemfunktionaliteten och ge en välbehövlig flexibilitet. Men i det ständigt växande utbudet av tillgängliga programmerbara alternativ står vissa dock ut lite extra.

Denna artikel undersöker roller, funktioner och egenskaper hos avancerade strömförsörjningar i den senaste generationen som är mycket mer än bara fristående, exakta, responsiva strömförsörjningar i egna inkapslingar. Den fokuserar sedan på funktionerna, egenskaperna och fördelarna med den senaste generationen helt nätverksanslutna och programmerbara strömförsörjningar från XP Power som exempel.

Strömförsörjningsenhet jämfört med open frame-försörjningar

I många konstruktioner byggs, eller pressas, AC/DC-försörjningen in på huvudkortet eller på ett separat kort som är "instoppat" i ett hörn. I andra produkter behövs emellertid en distinkt, oberoende, separat strömförsörjning. Dessa tillbehör - ibland kallade "chassi" eller "open frame" - är fristående och uppfyller nödvändiga höljes-, prestanda- och regelkrav. Många av dem finns tillgängliga från flera leverantörer som andra eller alternativa källor, med avseende på form, passform och funktion.

Dessa matningar, där ett typiskt exempel är XP Power UCH600PS36, en 36 V, 4,16 A, 600 W open frame-försörjning, har inget användargränssnitt eftersom inget sådant behövs (figur 1). Istället är de inbäddade i slutprodukten utan möjligheter till användarjusteringar när de väl är ute i fält. De har minimala ingångs-/utgångsanslutningar: AC-ingång, DC-utgång och kanske fjärravkännande ledningar.

Bild 1: En open frame-strömförsörjning, såsom UCH600PS36 är utformad för att inbäddas i slutprodukter som inte behöver slutanvändaråtkomst eller justering av dess olika prestandaparametrar. (Bildkälla: XP Power)

Däremot behöver ingenjörsprojekt levereras med ett flexibelt, lättanvänt gränssnitt implementerat via en kombination av omkopplare, vred, funktionsknappar, mätare, indikatorer och till och med en alfanumerisk display. Dessa helt justerbara strömförsörjningar är utformade för att möjliggöra bekväm justering av parametrar som utspänning, maximal ström och spänning-/strömbegränsning, bland andra faktorer. De fyller behoven hos ingenjörsteamet under konstruktion, prototyputvärdering och felsökning och benämns generellt som bänk- eller labströmförsörjningar. De kan också rackmonteras i ett fast, semi-permanent arrangemang av praktiska och estetiska skäl, som delar av en automatisk testutrustning eller annan långtidsinstallation (figur 2).

Bild 2: Bänkströmförsörjningar används ofta på ingenjörens bänk eller bord, men de monteras också ofta i ett rack tillsammans med andra testenheter för att ge en komplett, sammanhållen instrumentinstallation. (Bildkälla: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

Dagens strömförsörjningar måste uppfylla krav som är mer sofistikerade än de som ställdes på strömförsörjningar för bara några decennier sedan även om deras grundläggande funktion är densamma. Tillsammans med spänning- och strömavläsningarna och manuell justering av utgångsspänningen, måste en strömförsörjning också erbjuda såväl andra manuellt riktade funktioner som fjärråtkomst.

Strömförsörjningar som XP Power PLS600-serien med programmerbara DC-strömförsörjningar gör detta genom att möjliggöra justering av driftsparametrar via praktiska, bekväma kontroller på frontpanelen plus olika anslutningsalternativ på bakpanelerna, inklusive USB, Ethernet och analoga gränssnitt (figur 3). Dessutom måste strömförsörjningen övervaka sin egen och lastens situation och rapportera situationen direkt och fjärrledes, både på begäran och som undantag, för att man ska kunna lita på själva enheten och det större systemet.

Bild 3: Frontpanelen (överst) på enheter i PLS600-serien är funktionell och ren, samtidigt som den stöder kraftfulla användar- och övervakningsfunktioner; bakpanelen (nedtill) inrymmer nätkabel och anslutningar för USB-, Ethernet- och analoga gränssnitt. (Bildkälla: XP Power)

Funktionerna på frontpanelen (visas som 1 till 7 i figur 3) beskrivs mer detaljerat i användarmanualen, men är i stigande ordning: ström på/av; nuvarande uppsättning; spänningsinställning; utgång på/av; skärmen och strömförsörjningsutgången.

PLS600-familjen består av fem likströmsutgångar som börjar med PLS6003033 på 30 VDC och går upp till PLS6004002.5 400 V, alla med en maximal effekt på 600 W.

Full programmerbarhet ger fler fördelar

Det är en sak att säga att en strömförsörjning är ”programmerbar”, men det är viktigt att klargöra vad detta betyder för en modern strömförsörjning. Först måste strömförsörjning ha en användarinställbar snarare än fast utgångsspänning, i många fall kan strPSU också fungera som en användarinställbar strömkälla. För enkelhets skull justeras värdena på dessa primära parametrar enkelt från frontpanelen vid behov. Tillsammans med en digital avläsning är vridkontroller fortfarande det mest bekväma sättet att snabbt ställa in, justera eller "finjustera" de önskade värdena.

Andra parametrar som användare kan ställa in är det viktiga överspänningsskyddet (OVP), överströmsskyddet (OCP) och till och med övereffektskyddet (OPP). Det senare är användbart för tillämpningar där bekymret inte är effektgränsen på 600 W för PLS600-försörjningen, utan den maximala effekten (spänning × ström) som lasten ska få förbruka från nätspänningen för att förhindra skador på lasten självt.

Ofta, efter att ha gjort olika justeringar av spänning, ström, effekt eller andra börvärden under tidstryck och stress vid felsökning och test, kan användare av misstag råka försumma att registrera de värden som de faktiskt har ställt in för dessa faktorer. På grund av detta och andra skäl tillåter PLS600-strömförsörjningarna snabb visning av parametervärden. Vidare lagras de alla internt så att de inte behöver återinföras vid uppstart.

En sådan grundläggande programmerbarhet är bara den första aspekten av en verkligt mångsidig strömförsörjning. För många test- och utvärderingssituationer finns det ett behov av att försörjning ska utföra ett fördefinierat realtidsskript oberoende av en nätverksanslutning. För detta erbjuder PLS600-serien en sofistikerad integrerad skriptförmåga, som gör det möjligt för användare att skriva egna program för att skapa användardefinierade utgångsprofiler för att uppfylla en mängd olika unika krav och att ladda upp dem till strömförsörjningen för körning på kommando.

Detta gör att tillbehören kan spela en avancerad roll i det större systemet och på så vis bli ett effektivt element i en produktprestandasekvens eller avancerat livscykeltest, såsom ett högaccelererat livstest (HALT) och möjligen som hjälp för att hitta subtila anomalier relaterade till karakteristiken hos slutproduktens kraftsubsystem.

Anslutningsbarhet och styrning - från enkel till nätverksbaserad

Även om en bänkströmförsörjning bör ha fysiska reglage på frontpanelen som är användarvänliga för enkel och direkt åtkomst, är de otillräckliga för en effektiv systemnivåförsörjning. Förutom de bekväma vridkontrollerna för spännings- och strömjustering, stödjer PLS600-serien också fjärrstyrning via USB, Ethernet och analoga styringångar.

Den analoga kontrollen kan verka som en anakronism, men den möjliggör direkt och enkel installation av ett grundläggande fjärrkontrollscenario, och det kan behövas i vissa situationer med äldre utrustning. Observera att bänkinstrument brukar ha lång livslängd och det finns fortfarande IEEE-488 GPIB-enheter (General Purpose Interface Bus). Den analoga styrningen är också bekväm när matningen används i ett återkopplingsarrangemang med sluten slinga där en matningsspänning måste justeras i realtid baserat på någon avkänd eller härledd spänning.

Utöver den grundläggande analoga kontrollen är alla PLS600-strömförsörjningar certifierade för LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) och uppfyller därmed standarderna för driftskompatibilitet för LAN-baserade instrument. Standard LabVIEW och IVI-drivrutiner för utbytbara virtuella instrument är tillgängliga för användning med all standardprogramvara. Enheterna stöder standardkommandon för programmerbara instrument (SCPI) och användarutvecklad SCPI-baserad programvara stöds också. USB- och Ethernet-ingångarna är SCPI-kompatibla och LabVIEW-drivrutiner finns tillgängliga på National Instruments webbplats. För att upprätthålla tilliten till inställda och avlästa värden, inkluderar strömförsörjningar inbäddade 12-bitars D/A- och A/D-omvandlare för exakt mätning och rapportering av spänning och ström.

Kombinationen av nätverksanslutning, fjärrkonfiguration med möjlighet att manuellt ändra värden eller göra det under programstyrning, och även rapportera om strömförsörjningsstatus och larmförhållanden, är mer än en bekvämlighet. Det minskar behovet av att ingenjörer sitter och "vaktar" enheten som testas och söker efter och korrelerar avvikelser när de uppstår. Att använda detta i kombination med instrument som en datalogger eller ett digitalt oscilloskop med djupminne och lämpliga triggers gör det praktiskt att genomföra långtidstester och sedan ladda ner resultaten för mer omfattande analys.

Hantera fjärravkänning och kalibrering

Alla strömförande ledningar och strömskenor utsätts för strömmotstånd (IR) spänningsfall (U). En grundläggande beräkning med Ohms lag (U = IR) får fram storleken på fenomenet. Som en följd därav, kan den spänning som matas till lasten lätt vara allt från några mV till tiotals, eller t.o.m. hundratals mV, under dess nominella värde från strömförsörjningen.

Ett sätt att hantera detta fall är att kompensera genom att öka den nominella spänningen på strömförsörjningen med ett belopp som är lika med fallet, men detta anses vara dålig praxis eftersom IR-fallet är en funktion av den ström som förbrukas, och den kommer därför att variera. Följaktligen kan spänningen vid lasten faktiskt vara för hög ibland när strömmen och det resulterande IR-fallet är lågt.

Av denna anledning är den vanliga lösningen att använda fjärravkänning via ytterligare två ledningar i ett arrangemang med Kelvin-avkänning. I denna konfiguration avkänns den faktiska spänningen vid lasten och återkopplas till matningen för att dynamiskt justera utgången så att spänningen vid lasten alltid har önskat värde. Denna allmänt använda lösning accepteras som standardpraxis och fungerar vanligtvis bra, men den har vissa nackdelar.

Först är det behovet av de två extra ledningarna, som verkar vara en trivial fråga men bidrar till fler prylar på arbetsbänken. För det andra är det inte alltid lätt att lägga till ytterligare två lågmotståndskontakter vid lasten, särskilt när lastkontakterna inte har utformats för att inrymma dem. Den som har försökt ansluta 24 AWG-sensorledningar till skruvar eller andra plintar konstruerade för den strömförande 14/12/10 AWG-strömskenan, har konkret upplevt dessa problem.

Slutligen kan dessa två extra känsliga ledningar tyckas vara bara passiva ledningar, men det är de inte. Elektriskt bildar de en återkopplingsslinga för en förstärkare som råkar vara en strömförsörjning. Varje gång det finns en sådan återkopplingsslinga finns det möjlighet till brusstörningar eller till och med oscillationer på grund av den obegränsade och vanligtvis dåligt definierade slingan. Så även om fjärravkänning kan lösa IR-fallproblemet, kan det också orsaka ett mer lömskt problem med oscillation på matningsutgången. Ytterligare filtrering av rätt typ kan behövas, men ändå kan sådan filtrering också förändra och försämra försörjningens dynamiska transientsvar.

Fjärravkänning - utan IR-fallinducerande kablar

För att undvika de mekaniska, elektriska och till och med estetiska problem som är förknippade med fjärravkänning erbjuder PLS600-serien ett alternativt tillvägagångssätt med en egenutvecklad teknik för att kompensera digitalt för dessa resistanser utan att behöva extra ledningar. I korthet anropar användaren fjärravkänningsläget från frontpanelen, kortsluter lastkablarna vid lasten och sätter matningsströmmen till minst lika mycket som det förväntas att lasten kommer att förbruka (figur 4).

Bild 4: XP Powers strömförsörjning PLS600 stödjer ett unikt schema för förkompensering av IR-fall, vilket eliminerar behovet av extra fjärravkänningsledningar. (Bildkälla: XP Power)

Strömförsörjningen mäter utgångsströmmen och det totala spänningsfallet i lastledningarna och beräknar sedan motståndet i lastledningarna. Strömförsörjningen kan sedan justera utgångsspänningen på sina matningsuttag i realtid för att korrigera för fallet i lastkablarna. Därigenom finns det inget behov av separata avkänningsledningar i själva installationen.

Avancerade strömförsörjningar erbjuder också kalibreringsflexibilitet

Även om strömförsörjningar som de i PLS600-serien normalt inte behöver kalibrering, kan det finnas omständigheter där enhetens utspänningsprestanda måste verifieras och vissa kalibreringsjusteringar krävs. För att kalibrera utspänningen och strömmen och den visade spänningen och strömmen, behöver PLS600-serien en kalibrerad voltmätare och en kalibrerad strömshunt.

Strömförsörjningen är inställd på kalibreringsläge och dess utgång lämnas öppen med endast voltmätaren ansluten. I korthet matchas strömförsörjningens visade värde och voltmetervärdet, och strömförsörjnings panelknapp trycks in för att registrera värdena. Därefter ansluts strömshunten över utgången och voltmätaren ansluts till shunten. Strömförsörjningsutgången justeras sedan tills den externa voltmätaren visar exakt den ström som visas på strömförsörjningsdisplayen (figur 5). Observera att spänningen som visas på mätaren kommer att bero på värdet på den strömshunt som används, återigen enligt Ohms lag.

Bild 5: En enkel tvåstegsprocess används för att kalibrera XP Powers strömförsörjningar: en utspänningsmätning med öppen krets, följt av en spänningsmätning över en kalibrerad lastshunt. (Bildkälla: XP Power)

Hur man får mer spänning eller ström

Även om strömförsörjningarna i PLS600-serien erbjuds i kombinationer av spännings- och strömklassificering, kommer det utan tvekan att finnas situationer där fler av ena eller båda dessa parametrar behövs. Den uppenbara lösningen är att skaffa en större strömförsörjning, men nackdelen är ytterligare kostnader. Detta kan vara svårt att motivera eftersom den kanske bara behövs under en kort tid. Ett alternativ är att överväga att sätta två eller fler PLS600-strömförsörjningar i serie för mer spänning eller parallellt för mer ström.

Att få den ökningen i spänning eller ström är dock inte bara en fråga om att ansluta två matningar i serie eller parallellt. När de kombineras på ett sådant sätt kommer troligen en av tre saker att hända:

1. Konfigurationen ger inte den nödvändiga utgångsmatningen, är okontrollerbar och försörjningsenheterna kommer troligtvis ta skada
2. Konfigurationen fungerar hyfsat, men levererar inte nödvändig, konsekvent och tillförlitlig prestanda och precision.
3. Allt fungerar jättebra, antingen på grund av tur - vanligtvis inte en bra teknisk taktik - eller genom avsiktlig konstruktion

Utfall nr. 1 och 2 är oönskade och oacceptabla, även om det finns sätt att lösa deras brister i viss utsträckning med några noggrant utvalda och utvärderade externa komponenter som strömdelarmotstånd eller isoleringsdioder (figur 6). Ett liknande schema används för spänningsparning. Även om det fungerar, är den totala prestandan begränsad av specifikationerna för de mindre av de två försörjningarna och missmatchningar mellan de tillagda komponenterna och även försämring av dessa komponenter.

Bild 6: Externa komponenter som strömdelningsmotstånd (vänster) eller isoleringsdioder (höger) kan användas för att sätta två strömförsörjningar parallellt för ytterligare strömförmåga, men prestandan försämras genom att göra detta. (Bildkälla: XP Power)

Resultatet blir generellt att det orsakar mycket färre problem att använda en enda strömförsörjning som är klassad för tillämpningen snarare än två eller fler parallellt eller i serie. Dock kommer det önskvärda utfallet, nr. 3, att inträffa om försörjningarna är specifikt utformade för drift i serie eller parallellt - såsom strömförsörjningarna i PLS600-serien.

För att placera PLS600-strömförsörjningen parallellt eller i serie måste en strömförsörjning ställas in som master och de övriga strömförsörjningarna måste ställas in som slavar. Upp till två försörjningar (och de måste vara identiska) kan anslutas i serie för spänningsökning, medan upp till fyra identiska enheter kan användas parallellt för strömförstärkning. Konfiguration och inställning av master och slavenheter görs via frontpanelen, och det finns vissa maximala gränser som måste förstås av både säkerhets- och prestandaskäl.

Rackar och staplar för bekvämlighet, disciplin och effektivitet

Utseendet på ingenjörers arbetsbänkar varierar från tämligen snygga till otroligt stökiga. Verkligheten är att många bänkar börjar som rena och snygga, men det byggs gradvis upp en röra och en eller flera strömförsörjningar med sladdar bidrar till denna. I andra fall är strömförsörjningen en del av en instrumentuppsättning som har monterats i rack av ett eller flera skäl:

• Den är en del av en fristående automatisk testutrustning eller ett långsiktigt utvärderingsprojekt
• Att få systemintegritet och bättrer tillförlitlighet, genom att alla enheter har sin avsedda plats och att alla kablar är helt isolerade och har dragavlastningar
• Behov av transporter och eventuell ominstallation

Av dessa skäl erbjuder XP Powers rackmonteringssatsen PLS600 för PLS600-strömförsörjningar (figur 7).

Bild 7: XP Powers rackmonteringssats PLS600 underlättar installationen av en enskild PLS600-enhet eller ett par enheter sida vid sida i ett standardchassi. (Bildkälla: XP Power)

Eftersom alla medlemmar i PLS600-serien har samma höljesstorlek, fungerar satsen för dem alla. Att installera en PSU med hjälp av denna sats är en snabb och enkel uppgift, och i satsen kan två strömförsörjningar monteras sida vid sida.

Slutsats

Bänkströmförsörjningar är mycket olika till form och funktion mot inbäddade enheter som har få eller inga användarkontroller eller inställningsmöjligheter. Bänk- eller labströmförsörjningar är viktiga instrument för prototyputveckling, felsökning och test, lika mycket som fasta testriggar. En välkonstruerad, funktionsrik labströmförsörjning, såsom dem i XP Power PLS600-serien, erbjuder både enastående prestanda som ytterligare möjligheter och funktioner som behövs för effektiv och flexibel användning, med allt från bekväm frontpanelstyrning till nätverksåtkomst och skriptdriven programmerbarhet.

Referenser

1. XP Power AC/DC-strömförsörjning PLS600-serien
2. XP Power användarmanual till PLS600-serien med programmerbara DC-strömförsörjningar
3. XP Power programmeringshandbok till PLS600-serien med programmerbara DC-strömförsörjningar