Bruk stasjonære strømforsyningers programmerbarhet, nettverksfunksjoner og ledningsfrie fjernanalyse-funksjoner

Strømforsyninger kommer i et ekstremt bredt utvalg av klassifiseringer, fysiske størrelser og formater. Selv om det er vanlig å optimalisere for størrelse, effektivitet og kostnader – spesielt i strømbegrensede utrustninger som kroppsbårne enheter (wearables) – er det utrustninger der parametrene for strømforsyningsenheten (PSU-en) må justeres når en enhet er distribuert og i bruk. Dette er spesielt tilfelle med PSU-er for benk eller automatiserte testutrustninger og -miljøer.

Dette har gitt opphav til strømforsyninger som gir varierende grad av fleksibilitet i feltet, alt fra trådløs-oppdateringer av firmware for effektivisering, til alltid fjernkontroll og kontroll for å sikre nøyaktighet, skalerbarhet, redundans og effektiv lastbalansering av strømforsyninger. Programmerbarhetsfunksjoner kan akselerere produktdesign og evaluering, forbedre systemfunksjonaliteten og gi nødvendig fleksibilitet. Imidlertid, blant det stadig økende utvalget av programmerbare alternativer som er tilgjengelige, er det noen som skiller seg ut.

Denne artikkelen undersøker rollene, funksjonene og funksjonene til avanserte, siste generasjons PSU-er, som er mye mer enn bare selvstendige, frittstående, nøyaktige, responsive strømforsyninger i sine egne kabinetter. Den fokuserer deretter på funksjonene og funksjonene, og påfølgende fordeler med den siste generasjonen, fullt nettverkede, meget programmerbare PSU-er fra XP Power som eksempler.

PSU-en sammenlignet med strømforsyning med åpen ramme

I mange utførelser er AC–DC-forsyningen bygget eller klemt inn på hovedkortet eller på et separat kort som er «gjemt» i et hjørne. I andre produkter er det imidlertid behov for en distinkt, uavhengig, separat strømforsyningsenhet. Disse rekvisitaene – noen ganger kalt «chassis» eller «open ramme»-rekvisita – er selvforsynt og oppfyller de nødvendige krav til emballasje, ytelse og myndighetskrav. Mange av dem er tilgjengelige fra flere leverandører som andre eller alternative kilder med hensyn til form, passform og funksjon.

Disse rekvisitaene, typifisert av enheter som XP Power UCH600PS36 , en 36 volt, 4,16 ampere (A), 600 watt (W)-strømforsyning med åpen ramme, har ingen brukergrensesnitt ettersom ingen er påkrevd (figur 1). I stedet er de innebygd i sluttproduktet uten at det er gitt noen mulighet for brukerjusteringer så snart de er ute i felt. De har minimale inngangs- / utgangstilkoblinger: vekselstrøminngang (AC), likestrømsutgang (DC) og kanskje fjernmålingsledninger.

Figur 1: En strømforsyning med åpen ramme som UCH600PS36 er konstruert for å være innebygd i sluttproduktet uten behov for sluttbrukertilgang eller justering av de forskjellige ytelsesparametrene. (Bildekilde: XP Power)

I motsetning til dette trenger ingeniørprosjekter en forsyning med et fleksibelt, brukervennlig grensesnitt implementert via en kombinasjon av brytere, knotter, myke knapper, målere, indikatorer og til og med en alfanumerisk avlesningsdisplay. Disse fullt justerbare PSU-ene er konstruerte for å muliggjøre praktisk justering av parametere inkludert utgangsspenning, maksimal strøm og spennings- / strømbegrensning, blant andre faktorer. De betjener ingeniørteamets behover under design, prototypevaluering og feilsøkingsfaser, og blir vanligvis referert til som «benk» eller «lab»-forsyninger, eller som forsyninger for benkplassering. De kan også være rackmontert i en fast, semi-permanent arrangement for bekvemmelighet og fin estetikk som del av et automatisert testutstyr (ATE) eller annen langsiktig installasjon (figur 2).

Figur 2: «Benk»-PSU-er brukes på ingeniørens benk, men de er også ofte montert i et stativ sammen med andre testenheter for å gi et komplett, pakket instrumenteringsoppsett. (Bildekilde: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

Dagens PSU-er må tilfredsstille behov som er mer sofistikerte enn de som håndteres av PSU-er for bare noen tiår siden, selv om deres grunnleggende funksjon er den samme. Sammen med grunnleggende spennings- og strømavlesninger, og manuell justering av utgangsspenningsverdien, må en PSU aktivere andre manuelt dirigerte funksjoner, samt tilby fjernstyring.

PSU-er som XP Power PLS600-serien av programmerbare likestrøms-forsyninger (DC) gjør dette ved å tillate justering av driftsparametere som kan gjøres via ryddige, praktiske styringer på frontpanelet, pluss forskjellige tilkoblingsalternativer bak – inkludert USB, Ethernet og analoge grensesnitt (figur 3). Videre må PSU-en overvåke sin egen situasjon og belastningen, og rapportere situasjonen direkte og eksternt, både på forespørsel og som et unntak, for å opprettholde tilliten til selve enheten så vel som det større systemet.

Figur 3: Frontpanelet (toppen) av enhetene i PLS600-serien er funksjonelt og ryddig, samtidig som det støtter kraftig brukertilgang og overvåkingsfunksjoner; bakpanelet (nederst) har strømledningen og kontaktene for USB, Ethernet og analoge grensesnitt. (Bildekilde: XP Power)

Funksjonene på frontpanelet (vist som 1 til 7 i figur 3) er beskrevet nærmere i brukermanualen, men er i stigende rekkefølge: strøm på/av; nåværende sett; spenning sett; utgang av/på; skjermen; og strømuttakene.

PLS600-familien består av fem enheter med likespenningutganger (DC), den starter med PLS6003033 på 30 VDC, og og går opp til PLS6004002.5 på 400 V, alle med en maksimalt 600 watt nominell effekt.

Full programmerbarhet gir ekstra fordeler

Det er en ting å si at en PSU-en er «programmerbar», men det er viktig å avklare hva dette betyr for en moderne PSU. Først må PSU-en heller ha en brukerinnstillbar utgangsspenning, enn en fast utgangsspenning; i mange tilfeller kan PSU-en også fungere som en brukerinnstillbar strømkilde. For enkelhets skyld kan verdiene på disse primærparametrene enkelt justeres etter behov fra frontpanelet. Sammen med en digital avlesning er roterende kontroller fremdeles den mest komfortable måten å raskt stille inn, justere eller «finjustere» de ønskede verdiinnstillingene.

Blant andre parametere som brukere kan stille inn, er den viktige overspenningsvernet (OVP), overstrømsvern (OCP), og til og med overeffektvernet (OPP). Det siste er nyttig for utrustninger der «bekymringen» ikke er den 600 W-effektgrensen for PLS600 PSU-en, men den maksimale effekt (spenning × strøm) som lasten skal få trekke fra forsyningen for å forhindre skade på den.

Ofte, etter å ha foretatt forskjellige justeringer av spenning, strøm, strøm eller andre innstillingsverdier under tidspress og belastning av feilsøking og test, kan brukere utilsiktet unnlate å registrere verdiene de faktisk har satt for disse faktorene. På grunn av dette og andre grunner tillater PLS600 PSU-er en hurtigvisning av parameterverdiene. Videre er de alle lagret internt, slik at de ikke trenger å bli satt inn igjen ved oppstart.

Slik grunnleggende programmerbarhet er bare det første aspektet av en virkelig allsidig PSU. I mange test- og evalueringssituasjoner er det behov for at forsyningen skal utføre et forhåndsdefinert sanntidsskript uavhengig av en nettverkstilkobling. For dette gir PLS600-serien en sofistikert integrert skriptingsevne som lar brukere skrive tilpassede programmer for generering av brukerdefinerte utgangsprofiler som passer til et bredt utvalg av unike krav, samt å laste dem opp til strømforsyningen for å utføre på kommando.

Dette gjør at rekvisitaene kan spille en avansert rolle i det større systemet og så være et effektivt element i en produktytelsesekvens eller avansert livssyklustest som en svært akselerert livstest (highly accelerated life test – HALT), og muligens til hjelp for å finne subtile anomalierelaterte til sluttproduktets kraftundersystemets egenskaper.

Tilkobling og styring fra enkel til nettverk

Selv om en benk-PSU skal ha frontpanel, hands-on, brukervennlige kontroller for grunnleggende og umiddelbar tilgang, er disse utilstrekkelige for en effektiv forsyning på systemnivå. I tillegg til de praktiske roterende kontrollene for spenning og strømjustering, støtter PLS600-serien også fjernkontroll via USB, Ethernet og analoge kontrollinnganger.

Den analoge styringen kan virke som en anakronisme, men den gir mulighet for direkte og enkel oppsett av et grunnleggende fjernkontrollscenario, og det kan være nødvendig i noen arv-situasjoner. Legg merke til at benk-instrumenter har en lang levetid, og at det fortsatt er IEEE-488 GPIB-enheter (General Purpose Interface Bus) i bruk. Den analoge styringen er også praktisk når tilførselen brukes i en tilbakekoblingsanordning med lukket sløyfe, der en forsyningsspenning må justeres i sanntid basert på noe registrert eller avledet spenning.

Utover den grunnleggende analoge kontrollen, er alle PLS600 PSU-er LAN eXtensions for Instrumentation (LXI)-sertifisert, og oppfyller dermed interoperabilitetsstandarder for LAN-baserte instrumenter. Standard LabVIEW og Interchangeable Virtual Instrument (IVI)-drivere er tilgjengelige for bruk med all standard programvare. Enhetene støtter standardkommandoer for programmerbare instrumenter (SCPI), og brukerutviklet SCPI-basert programvare støttes også. USB- og Ethernet-inngangene er SCPI-kompatible og har LabVIEW-drivere tilgjengelig på nettstedet til National Instruments. For å sikre tillit til innstilling og tilbakelevering av verdier inkluderer PSU-ene innebygde 12-bits digital-til-analog og analog-til-digital-omformere for nøyaktig måling og rapportering av spenning og strøm.

Kombinasjonen av eksternt, eksternt oppsett med muligheten til å endre verdier manuelt eller gjøre det under programstyrong, samt også rapportere om strømforsyningsstatus og alarmforhold er mer enn en bekvemmelighet. Det reduserer behovet for ingeniører å måtte «sitte barnevakt» for enheten som testes og se etter og korrelere uregelmessigheter når de oppstår. Å bruke dette i kombinasjon med instrumenter som en datalogger eller et digitalt oscilloskop med dypt minne og passende triggere gjør det praktisk å utføre langsiktige tester og deretter laste ned resultatene for mer omfattende analyse.

Håndtering av fjernmåling og kalibrering

Alle strømførende ledninger og strømskinner er utsatt for strøm-motstand (IR) spenningsfall (U). En grunnleggende beregning ved å bruke Ohms lov (U = IR) viser størrelsen på problemet. Som et resultat kan spenningen som leveres ved belastningen lett være fra noen få millivolt under dens nominelle verdi ved forsyningen, til titalls eller til og med hundrevis av millivolt.

En måte å takle dette fallet på er å kompensere ved å øke den nominelle spenningen ved PSU med et beløp som er lik fallet, men dette anses som dårlig praksis fordi det ohmske spenningsfallet er en funksjon av strømmen som trekkes og slik vil svinge. Som et resultat kan spenningen ved belastningen faktisk være for høy i perioder når strømmen og det resulterende IR-fallet er lavt.

Av denne grunn er den vanlige løsningen å bruke fjernmåling via to ekstra ledninger i et Kelvin-senseringsarrangement. I denne konfigurasjonen blir den faktiske spenningen ved lasten registrert og ført tilbake til forsyningen for å justere utgangen dynamisk slik at spenningen ved lasten alltid har ønsket verdi. Denne mye brukte løsningen er akseptert som standard praksis og fungerer vanligvis bra, men den har noen ulemper.

For det første er det behovet for de to ekstra ledningene, som virker som en bagatellmessig sak, men som bidrar til rot på en benk. For det andre er det ikke alltid like lett å legge til ytterligere to, lite motstandskontakter ved belastningen, spesielt når lastekontaktene ikke er konstruerte for å imøtekomme dem. Alle som har forsøkt å koble til 0.20 mm²-sensorledninger (# 24 AWG) til skruterminaler eller andre terminaler konstruerte for strømførende 2,5/4/6 mm²-strømforsyningsskinne (# 14/12/10 AWG) har opplevd vanskelighetsgraden.

Endelig kan de to ekstra sanselinjene virke som bare passive ledninger, men det er de ikke. Elektrisk danner de en tilbakekoblingssløyfe for en forsterker som tilfeldigvis er en strømforsyning. Hver gang det er en slik tilbakekoblingssløyfe, er det muligheten for støyoppsamling eller til og med svingning på grunn av den ubegrensede og vanligvis dårlig definerte sløyfen. Så mens fjernmåling kan løse IR-fall-problemet, kan det også føre til et mer lumskt problem med svingning av forsyningsutgangen. Ytterligere filtrering av riktig type kan være nødvendig, men likevel kan slik filtrering også endre og forringe den dynamiske forbigående responsen til forsyningen.

Fjernmåling — uten at ohmsk spenningsfall induserer ledninger

For å unngå mekaniske, elektriske og til og med estetiske problemer knyttet til fjernmåling, tilbyr PLS600-serien en alternativ tilnærming ved bruk av en egen teknologi for å kompensere for disse motstandene digitalt uten behov for ekstra ledninger. I korte trekk påkaller brukeren fjernmåling fra frontpanelet, kortslutter lastetrådene ved lasten, og setter PSU-strømmen til minst like mye som det forventes at lasten vil trekke (figur 4).

Figur 4: XP Power PLS600 PSU-er støtter en unik ordning for forhåndskompensering av ohmsk spenningsfall – samt eliminerer behovet for ekstra fjernfølelsesledninger. (Bildekilde: XP Power)

PSU måler utgangsstrømmen og det totale spenningsfallet i last-ledningene, og beregner deretter motstanden til last-ledningene. PSU-en kan deretter justere utgangsspenningen på strømterminalene i sanntid for å korrigere for fallet i last-ledningene. Som et resultat er det ikke behov for separate sensorledninger i selve installasjonen.

Avanserte PSU-er tilbyr også kalibreringsfleksibilitet

Selv om PSU-er som de i PLS600-serien normalt ikke trenger kalibrering, kan det være omstendigheter der enhetens utgangsspenningsytelse må verifiseres og noen kalibreringsjusteringer er nødvendige. For å kalibrere utgangsspenningen og strømmen og den viste spenningen og strømmen, krever PLS600-serien et kalibrert voltmeter og en kalibrert strøm-shunt.

PSU-en er satt i kalibreringsmodus, og utgangen blir stående åpen med bare voltmeteret tilkoblet. Kort sagt samsvarer PSU-ens viste verdi og voltmeterverdien, og PSU-panelknappen blir trykket for å registrere verdiene. Deretter kobles den aktuelle shunten over utgangen, og voltmeteret er koblet til shunten. PSU-utgangen blir deretter justert til det eksterne voltmeteret leser nøyaktig strømmen som vises på strømforsyningsdisplayet (figur 5). Legg merke til at spenningen som vises på måleren vil være avhengig av verdien av den aktuelle shunt som brukes, igjen av Ohms lov.

Figur 5: En enkel to-trinns prosess brukes til å kalibrere XP Power PSU-er: en åpen spenningsmåling etterfulgt av en spenningsmåling over en kalibrert last-shunt. (Bildekilde: XP Power)

Hvordan få mer spenning eller strøm

Selv om PSU-er i PLS600-serien tilbys i kombinasjoner av spennings- og strømvurderinger, vil det utvilsomt være omstendigheter der flere av en eller begge disse parametrene er nødvendige. Den åpenbare løsningen er å få en større strømforsyning, med ulempen med ekstra kostnader. Dette kan være vanskelig å rettferdiggjøre, da det kanskje bare trengs i en kort periode. Et alternativ er å vurdere å sette to eller flere av PLS600 PSU-ene i seriekobling for mer spenning, eller parallell for mer strøm.

Å få den økningen i spenning eller strøm er imidlertid ikke bare et spørsmål om å koble to forsyninger i serie eller parallelt. Når de kombineres på en slik måte, vil en av tre ting sannsynligvis skje:

1. Konfigurasjonen vil ikke gi den nødvendige utgangen, er ukontrollerbar og forsyningene vil sannsynligvis bli skadet
2. Konfigurasjonen fungerer «på en måte», men den nødvendige ytelsen, nøyaktigheten, konsistensen er ikke overbevisende
3. Det hele fungerer helt fint enten på grunn av flaks - generelt ikke en god teknisk taktikk – eller i kraft av bevisst design

Utfall nr. 1 og nr. 2 er uønskede og uakseptable, selv om det er måter å omgå manglene til en viss grad, med noen nøye utvalgte og rangerte eksterne komponenter som strømdelingsmotstander eller isolasjonsdioder (figur 6). Et lignende skjema brukes for spenningsparing. Selv om det fungerer, er den generelle ytelsen begrenset av spesifikasjonene til den minste av de to rekvisitaene og feilpasninger mellom de tilførte komponentene og forringet av disse komponentene også.

Figur 6: Eksterne komponenter som strømdelingsmotstander (venstre) eller isolasjonsdioder (høyre) kan brukes til å sette to PSU-er parallelt for ytterligere strømkapasitet, men ytelsen blir forringet ved å gjøre det. (Bildekilde: XP Power)

Som et resultat er den generelle ideen at det forårsaker langt færre problemer å bruke en enkelt strømforsyning som er vurdert for utrustning i stedet for to eller flere i parallell eller serie. Imidlertid vil det ønskelige utfallet, nr. 3 til å forekomme hvis rekvisitaene er spesielt designet for serie eller parallell drift - i likhet med PSU-ene for PLS600-serien.

For å plassere PLS600 PSU-er i parallell eller serie, må en strømforsyning være satt opp for å være master, og resten av strømforsyningen må settes opp som slaver. Opptil to forsyninger (og de må være identiske) kan kobles i serie for spenningsøkning, mens opptil fire identiske enheter kan brukes parallelt for strømforsterkning. Oppsett og betegnelse av master- og slavenhetene gjøres via styringen på frontpanelet, og det er noen maksimale grenser som må forstås av både sikkerhets- og ytelsesgrunner.

Rack og stabling for enkelhets skyld, disiplin, effektivitet

Det visuelle utseendet til ingeniørarbeidsbenker varierer fra rimelig pent til utrolig uryddig. Realiteten er at mange benker begynner å være ryddige, men ofte rotet bare «bygger seg opp», og enkle eller flere PSU-er og ledningene bidrar til mer rot. I andre tilfeller er PSU*en del av en instrumenteringsenhet som har blitt rackmontert av en av flere grunner:

• Det er del av et frittstående ATE- eller langsiktig evalueringsprosjekt
• For å gi systemintegritet og forbedre påliteligheten ved å sørge for at alt har sin tiltenkte plass og at alle kabler er fullt kledd og har belastningsavlastning
• Et behov for transport og eventuell reinstallasjon

På grunn av dette tilbyr XP Power PLS600-rackmonteringssett for PLS600 PSU-er (figur 7).

Figur 7: XP Power PLS600 rackmonteringssett letter installasjonen av en enkelt PLS600-enhet eller et par enheter ved siden av hverandre i et standard chassis-rack. (Bildekilde: XP Power)

Siden alle medlemmer av PLS600-serien har samme kabinettstørrelse, fungerer settet for dem alle. Installasjon av en PSU ved hjelp av dette settet er en rask og enkel oppgave, og settet gjør det mulig å montere to PSU-er side om side.

Konklusjon

Benk-strømforsyningsenheter er veldig forskjellige i form og funksjon fra innebygde enheter som har få eller ingen brukerkontroller eller justeringer. Benk- eller «laboratorium»-PSU-er er viktige instrumenter for prototypeutvikling, feilsøking og testing, så vel som faste testrigger. En godt designet, funksjonsrik laboratorie-PSU, som for eksempel XP Power PLS600-serien, tilbyr både overlegen ytelse, så vel som tilleggsfunksjoner og funksjoner som er nødvendig for effektiv og fleksibel bruk, alt fra praktisk frontpanelkontroll til nettverkstilgang og skript-drevet programmerbarhet.

Referanser

1. XP Power AC–DC-strømforsyninger (vekselstrøm–likestrøm) PLS600-serien
2. XP Power Brukerhåndbok PLS600-seriens programmerbare DC-strømforsyninger
3. XP Power programmerer (programmeringsenhet) Brukerhåndbok PLS600-seriens programmerbare DC-strømforsyninger