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如果理想的电源解决方案实际并不理想,怎么办?

时间:2019-02-02 作者:Bill Schweber, EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑 阅读:
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?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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑
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power19020202.jpgdVCEETC-电子工程专辑
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)dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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。dVCEETC-电子工程专辑

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?dVCEETC-电子工程专辑

编译:Susan HongdVCEETC-电子工程专辑

(参考原文:When a Good Power Solution Has the Opposite Effect,by Bill Schweber)dVCEETC-电子工程专辑

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