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当理想的电源解决方案出现反效果…

时间:2019-01-17 作者:Bill Schweber 阅读:
有时候,出于善意提供的解决方案也可能适得其反,尤其是在未经仔细考虑后果的情况下采用…

多年前,我曾经参与了一项开发项目,其中使用的直流(DC)主电源是一个标准的开放式机架单元,它需要以大约20A电流为机箱的相对较远部份提供5V电压。由于作为部份供电路径的PC电路板中IR压降引起的问题(电源轨太薄,使用1oz铜取代2oz),负载电压仅为4.5V左右,而规格适用于5V±200mV。因此,该设计的性能不稳定且不一致,尤其是在启动时。4WKednc

该怎么办呢?在快速地开会讨论后,我们查看了可能的选择。从工程设计的角度来看,第一种方案是最简单的:直接增加额定的电源输出(供电已稍微减少了)以补偿预期的压降。虽然这看起来像是一种简单的解决方案,但生产人员可不喜欢在组装在线逐一手动调整每个单元的想法;修理人员也不想到了现场替换电源时还得重复做同样的事情(而且这是在现实中易于忽略的一步)。因此,从工程角度来看,这项看起来简单的解决方法有充份的理由必须被驳回。4WKednc

然后马上有人提出了另一个想法:为什么不使用内建于电源中的遥测(remote-sensing)功能?电源的遥测设置包括两个电源导线和两个来自电源的感测导线,这些导线都连接至电源负载。使用这种方案时,电源是在负载上(而非输出端)感测实际电压,并调整负载本身以保持负载所需电压,而无论过程中发生任何IR压降。这正是开尔文(Kelvin)感测的变化版本,特别是用于需要准确评估电阻器上的电流以及其他测试和量测场合。4WKednc

这做起似乎很简单,而且唯一的「代价」是负载和电源之间两条相对较细的走线(与实际电源线不同的是,它们携带的电流可忽略不计)。这样的方案在制造上是可行的,现场维修也没问题。我们高度乐观地认为马上就能解决这个问题,接着继续进行设计。4WKednc

但是,事情可没这么简单就结束。没错,负载上的DC电压似乎没什么问题,但DC电源轨却也发生了许多噪声,甚至经常出现振荡。我们才刚刚采纳这项最佳想法,但看起来似乎没那么好。我们的下一步是「咨询」另一项项目团队的专业电力子系统/模拟工程师。4WKednc

现实的经验教训

这就是从现实世界的经验中获得教训的最佳写照。他甚至不必实际看到电路、系统或示波器,就告诉我们问题可能出在感测线路中的噪声拾取。然后他绘制了一张简单的草图,显示电源实际上只是一个特定的闭路负反馈放大器,专用于以固定电压值提供可变电流,类似图1。匹配输出与参考的电源反馈回路通常实体上都很小,而且完全位于电源内部,因此相对较不受噪声拾取的影响。4WKednc

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电源是具有闭路负反馈的专用放大器;其反馈回路的路径和特性会对功率放大器的性能造成不利影响(来源:Venable Instruments)4WKednc

但是当你使用遥测功能时,可以将回路延伸至更宽广的环境中,不仅能拾取噪声(以回路而言,它算是不错的「天线」),还可以为路径增加更多阻抗。现在,它处于一个稍微稳定的状态。因此,遥测功能应该能最大限度地减少IR压降效应,但也会引发各种问题。4WKednc

因此,现在问题改变了:如何处理这种噪声和振荡?显而易见的解决方案是在遥测导线上增加滤波功能,以衰减噪声拾取,并可能切换到隔离线。但是,至于什么才会起作用,一切都非常微妙,而且还完全取决于噪声而实现。此外,在遥测回路添加滤波功能,也会对回路动态产生其他效应。4WKednc

最后,我们做了一开始就应该做的事情:尽量减少IR压降。我们增加了一些PC电路板的支座型母线(幸好边缘附近还有空间),并且在电源和系统的更远部份之间添加了一些电线,而非完全依靠pcb走线作为实体DC轨。当DC轨稳定后,IR压降大幅下降,而且一切都很顺利。4WKednc

但我们清楚地学到的经验教训是:出于善意提供的功能(此处是指电源供货商的遥测功能)在某些情况下也会适得其反,特别是未经仔细考虑后果的情况下采用。这实际上是我们学到的第二课。第一课是进行一些基本的IR压降计算(这些计算并不难),然后在系统规划中添加一些余量。如果IR压降使您的设计处于「灰色区域」或更糟,请使用更宽的PC电路板走线、更厚的铜线、电线分线盘、独立导线——无论如何都必须要有干净稳定的DC额定电压,同时考虑到电源本身的输出容限。4WKednc

毕竟,稳定的电源轨是提供一致、可靠性能的基础,只要有任何一丁点「怪异」出现都可能导致各种诡异、间断且难以除错的电路行为。一旦出现了「随机」的工程问题,就算可以依靠方便的功能(例如遥测)来解决问题,也可能让事情变得更糟糕。4WKednc

您是否使用过哪一种看起来方便且可接受的「解决方案」,实际采用后却发生与预期相反的效果?4WKednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考原文:When a Good Power Solution Has the Opposite Effect,编译:Susan Hong)4WKednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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