Stolní napájecí zdroje s možnostmi programování, síťování a funkcemi dálkového snímání bez vodičů

Nabídka napájecích zdrojů obsahuje velmi široký výběr charakteristik, fyzických rozměrů a formátů. I když se běžně optimalizuje velikost, účinnost a náklady – zejména v aplikacích s omezeným napájením, jako je nositelná elektronika – existují aplikace, kde je třeba parametry napájecího zdroje (PSU) upravit, až když je zdroj nasazen a používán. To je zejména případ napájecích zdrojů pro stolní nebo automatizované testovací aplikace a prostředí.

To umožnilo vzestup napájecích zdrojů, které v této oblasti poskytují různé stupně flexibility od bezdrátových aktualizací firmwaru pro optimalizaci efektivity až po nepřetržité dálkové monitorování a ovládání zajišťující přesnost, škálovatelnost, redundanci a efektivní vyvažování zátěže u napájecích polí. Funkce programovatelnosti mohou urychlit návrh a vyhodnocení produktů, zlepšit funkčnost systému a poskytnout potřebnou flexibilitu. Z neustále se rozšiřující řady dostupných programovatelných možností některé z nich obzvláště vyčnívají.

V tomto článku zkoumáme role, funkce a vlastnosti pokročilých PSU nejnovější generace, které jsou mnohem více než jen soběstačné, samostatné, přesné a citlivé napájecí zdroje ve vlastních krytech. Poté se jako příklad zaměříme na funkce, možnosti a následné výhody nejnovější generace plně síťových a vysoce programovatelných napájecích zdrojů od společnosti XP Power.

PSU ve srovnání s napájením s otevřenou konstrukcí

V mnoha návrzích je napájení AC/DC vestavěno nebo vtěsnáno na hlavní PC desku nebo na samostatnou desku, která je „zastrčena“ do rohu. U jiných produktů je však nutný jiný, samostatný, nezávislý napájecí zdroj. Tyto zdroje – někdy nazývané zdroje „se šasi“ nebo „s otevřenou konstrukcí“ – jsou soběstačné a splňují nezbytné požadavky na pouzdro, výkon i zákonné požadavky. Mnoho z nich je k dispozici od několika dodavatelů jako druhý nebo alternativní zdroj s ohledem na velikost, vhodnost a funkci.

Tyto zdroje, které jsou reprezentovány výrobky, jako je například model UCH600PS36 společnosti XP Power, s napájením 36 V, 4,16 A, 600 W a s otevřenou konstrukcí, nemají žádné uživatelské rozhraní, protože není potřeba (obrázek 1). Místo toho se vestaví do koncového produktu bez provádění uživatelských úprav po umístění. Mají minimální vstupní/výstupní připojení: AC vstup, DC výstup a možná vodiče dálkového snímání.

Obrázek 1: Napájecí zdroj s otevřenou konstrukcí, jako je UCH600PS36, je navržen tak, aby byl vestavěn do koncového produktu bez nutnosti přístupu koncového uživatele nebo úprav jeho různých výkonových parametrů. (Zdroj obrázku: společnost XP Power)

Naproti tomu technické projekty vyžadují napájení s flexibilním a snadno použitelným rozhraním implementovaným prostřednictvím kombinace spínačů, knoflíků, softwarových tlačítek, měřičů, indikátorů a dokonce i alfanumerického zobrazovacího displeje. Tyto plně nastavitelné PSU jsou navrženy tak, aby mimo jiné umožňovaly pohodlné nastavení parametrů včetně výstupního napětí, maximálního proudu a omezení napětí/proudu. Slouží potřebám technického týmu během fáze návrhu, hodnocení prototypu a ladění a jsou obecně označovány jako „stolní“ nebo „laboratorní“ zdroje. Mohou být také namontovány do racku v pevném, semipermanentním uspořádání, aby bylo zajištěno pohodlí a úhlednost, je-li zdroj součástí automatického testovacího zařízení (ATE) nebo jiné dlouhodobé instalace (obrázek 2).

Obrázek 2: Stolní napájecí zdroje se používají na pracovním stolu techniků, ale často se montují také do racku spolu s dalšími testovacími jednotkami, aby poskytly kompletní nastavení instrumentace v pouzdru. (Zdroj obrázku: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network – radioastronomická síť amatérů ve Velké Británii)

Dnešní PSU musí splňovat potřeby, které jsou propracovanější než ty, které řešily napájecí zdroje před pouhými několika desítkami let, přestože jejich základní funkce je stejná. Spolu se základním odečtem napětí a proudu a manuálním nastavením hodnoty výstupního napětí musí napájecí zdroj umožňovat další ručně směrované funkce a nabízet také vzdálený přístup.

PSU, jako je řada PLS600 společnosti XP Power programovatelných DC napájecích zdrojů, to dělají tak, že umožňují úpravu provozních parametrů pomocí přehledných a pohodlných ovládacích prvků na předním panelu a různých možností připojení na zadním panelu včetně rozhraní USB, Ethernet a analogových rozhraní (obrázek 3). Kromě toho musí PSU monitorovat svůj vlastní stav a stav zátěže a hlásit stav přímo a na dálku, a to jak na vyžádání, tak při výjimce, aby byla zachována důvěra v samotný zdroj i ve větší systém.

Obrázek 3: Přední panel (nahoře) zdrojů řady PLS600 je funkční a přehledný a zároveň podporuje výkonné funkce přístupu uživatelů a monitorování. Na zadním panelu (dole) je napájecí kabel a konektory pro USB, Ethernet a analogová rozhraní. (Zdroj obrázku: společnost XP Power)

Funkce na předním panelu (na obrázku 3 označeny jako 1 až 7) jsou podrobněji popsány v návodu k obsluze, ale jsou ve vzestupném pořadí: zapnutí/vypnutí, nastavení proudu, nastavení napětí, výstup zapnutý/vypnutý, displej a zdířky pro vodič napájecího výstupu.

Řada PLS600 se skládá z pěti DC výstupních zdrojů začínajících na 30 V DC u modelu PLS6003033 a končících na 400 V u modelu PLS6004002.5, vše s maximálním výkonem 600 W.

Plná programovatelnost přináší další výhody

Jedna věc je konstatovat, že napájecí zdroj je „programovatelný“, ale je důležité objasnit, co to pro moderní napájecí zdroj znamená. Za prvé, napájecí zdroj musí mít výstupní napětí nastavitelné uživatelem namísto pevně daného. V mnoha případech může napájecí zdroj fungovat také jako uživatelem nastavitelný zdroj proudu. Pro pohodlí jsou hodnoty těchto primárních parametrů snadno upravitelné podle potřeby z předního panelu. Spolu s digitálním odečtem jsou otočné ovládací prvky stále nejpohodlnějším způsobem, jak rychle nastavit, upravit nebo „doladit“ požadovaná nastavení hodnot.

Mezi další parametry, které mohou uživatelé nastavit, patří důležité hodnoty ochrany proti přepětí (OVP), ochrany proti nadproudu (OCP) a dokonce hodnoty ochrany proti přetížení výkonu (OPP). Ta je užitečná v aplikacích, kde „starostí“ není limit výkonu 600 W napájecího zdroje PLS600, ale maximální velikost výkonu (napětí × proud), kterou by zátěž měla mít možnost ze zdroje odebírat, aby se předešlo jakémukoli jeho poškození.

Uživatelé mohou často po různých úpravách napětí, proudu, výkonu nebo jiných požadovaných hodnot pod časovým tlakem a stresem při ladění a testování nechtěně zanedbat záznam hodnot, které pro tyto faktory ve skutečnosti nastavili. Z tohoto a dalších důvodů umožňují napájecí zdroje PLS600 rychlé zobrazení hodnot parametrů. Kromě toho jsou všechny uloženy interně, takže je není třeba při zapnutí znovu zadávat.

Taková základní programovatelnost je pouze prvním aspektem skutečně univerzálního PSU. Pro mnoho testovacích a vyhodnocovacích situací je potřeba, aby napájení spustilo předem definovaný „skript“ v reálném čase nezávisle na síťovém připojení. Řada PLS600 k tomu poskytuje sofistikovanou integrovanou skriptovací schopnost, která uživatelům umožňuje psát vlastní programy pro generování uživatelem definovaných výstupních profilů tak, aby vyhovovaly široké škále jedinečných požadavků, a odesílat je do napájecího zdroje, aby bylo možné příkaz provést.

To napájecím zdrojům umožňuje hrát pokročilejší roli ve větším systému, a být tak účinným prvkem v sekvenci výkonu produktu nebo v pokročilém testu životního cyklu, jako je velmi zrychlený test životnosti (HALT), a případně pomoci při hledání jemných anomálií souvisejících s charakteristikami subsystému napájení koncového produktu.

Konektivita a ovládání od jednoduchých až po síťové

Přestože stolní PSU by měl mít přední panel, praktické a uživatelsky přívětivé ovládací prvky pro základní a okamžitý přístup, nejsou tyto vlastnosti pro efektivní napájení na úrovni systému dostatečné. Kromě praktických otočných ovládacích prvků pro nastavení napětí a proudu podporuje řada PLS600 také dálkové ovládání přes USB, Ethernet a analogové řídicí vstupy.

Analogové ovládání se může zdát jako anachronismus, ale umožňuje přímé a snadné nastavení základního scénáře vzdáleného ovládání a může být potřeba v některých starších případech. Stolní přístroje mívají dlouhou životnost a stále se používají univerzální sběrnice rozhraní (GPIB) IEEE-488. Analogové ovládání je výhodné také v případech, kdy se zdroj používá v uspořádání zpětné vazby v uzavřené smyčce, kde napětí zdroje musí být upravováno v reálném čase na základě určitého snímaného nebo odvozeného napětí.

Kromě tohoto základního analogového ovládání mají všechny PSU PLS600 certifikaci LAN eXtensions for Instrumentation (LXI), čímž splňují standardy spolupráce pro přístroje založené na síti LAN. Pro veškerý standardní software jsou k dispozici standardní ovladače LabVIEW a Interchangeable Virtual Instrument (IVI). Zdroje podporují příkazy Standard Commands for Programmable Instruments (SCPI) a také software založený na SCPI vyvíjený uživateli. Vstupy USB a Ethernet jsou s SCPI kompatibilní a ovladače LabVIEW jsou pro ně dostupné na webových stránkách National Instruments. K zajištění důvěry v nastavení a hodnoty odečtu obsahují PSU pro přesné měření a hlášení napětí a proudu vestavěné 12bitové převodníky digitálního signálu na analogový a analogového signálu na digitální.

Kombinace síťového, vzdáleného nastavení s možností ručně měnit hodnoty nebo to provádět v rámci ovládání programem a také hlášení stavu napájecího zdroje a poplachových podmínek jsou více než praktické. Snižuje to pro techniky nutnost „hlídání“ testované jednotky a umožňuje hledat a porovnávat anomálie, jakmile nastanou. Díky použití v kombinaci s přístroji, jako je datový záznamník nebo digitální osciloskop s hlubokou pamětí a vhodnými spouštěmi, je praktické provádět dlouhodobé testy a poté stahovat výsledky pro komplexnější analýzu.

Řešení vzdáleného snímání a kalibrace

Všechny vodiče přenášející proud a vedení napájení podléhají poklesům napětí (V) odporu proudu (V). Základní výpočet pomocí Ohmova zákona (V = IR) ukazuje na velikost tohoto problému. Výsledkem je, že napětí dodávané při zátěži může být lehce jakékoli od několika milivoltů pod jeho nominální hodnotou při napájení až po desítky nebo dokonce stovky milivoltů za touto hodnotou.

Jedním ze způsobů, jak se s tímto poklesem vypořádat, je kompenzovat ho zvýšením jmenovitého napětí na PSU o velikost rovnající se poklesu, ale to je považováno za špatný postup, protože pokles IR je funkcí odebíraného proudu, a bude proto kolísat. V důsledku toho může být napětí na zátěži ve skutečnosti příliš vysoké ve chvíli, kdy jsou proud a výsledný pokles IR nízké.

Z tohoto důvodu je obvyklým řešením použít dálkové snímání pomocí dvou dalších vodičů v uspořádání Kelvinova snímání. V této konfiguraci je skutečné napětí na zátěži snímáno a přiváděno zpět do zdroje pro dynamické přizpůsobení výstupu, takže napětí na zátěži má vždy požadovanou hodnotu. Toto široce používané řešení je přijímáno jako standardní postup a obvykle funguje dobře, ale má určité nevýhody.

Za prvé jsou zde potřeba tyto dva další vodiče, což se zdá jako triviální záležitost, ale zvyšuje to míru nepřehlednosti. Za druhé není vždy snadné přidat k zátěži dva další kontakty s nízkým odporem, zvláště když zátěžové kontakty nebyly navrženy tak, aby je obsahovaly. Každý, kdo se pokusil připojit vodiče snímání č. 24 AWG ke šroubovým nebo jiným svorkám určeným pro napájecí sběrnici č. 14/12/10 AWG, zažil tuto obtížnost na vlastní kůži.

A nakonec – tyto dva vodiče snímání navíc se mohou zdát jen jako pasivní vodiče, ale nejsou. Elektricky tvoří zpětnovazební smyčku pro zesilovač, který je shodou okolností zdrojem energie. Kdykoli existuje taková zpětnovazební smyčka, existuje možnost zachycení šumu nebo dokonce oscilace kvůli neomezené a obvykle špatně definované smyčce. Takže zatímco problém poklesu IR může vyřešit dálkové snímání, může také způsobit zákeřnější problém oscilace napájecího výstupu. Může být zapotřebí další filtrování správného typu, ale takové filtrování může také změnit a zhoršit dynamickou přechodovou odezvu zdroje.

Dálkové snímání – bez vodičů vyvolávajících pokles IR

K předcházení mechanickým, elektrickým a dokonce i estetickým problémům spojeným s dálkovým snímáním nabízí řada PLS600 alternativní přístup využívající patentovanou technologii k digitální kompenzaci těchto odporů bez nutnosti použití jakýchkoli vodičů navíc. Stručně řečeno uživatel vyvolá režim dálkového snímání z předního panelu, zkratuje při zátěži vodiče zátěže a nastaví proud PSU minimálně tak, jak se očekává, že bude zátěž odebírat (obrázek 4).

Obrázek 4: PSU PLS600 společnosti XP Power podporují jedinečné schéma předběžné kompenzace poklesu IR, což eliminuje potřebu dalších vodičů pro dálkové snímání. (Zdroj obrázku: společnost XP Power)

PSU měří výstupní proud a celkový pokles napětí v zátěžových vodičích, poté vypočítá odpor zatěžových vodičů. PSU pak může v reálném čase upravit výstupní napětí na svých napájecích svorkách, aby korigoval pokles v zátěžových kabelech. V důsledku toho nejsou při vlastní instalaci samostatné vodiče snímání potřeba.

Pokročilé PSU nabízejí také flexibilitu kalibrace

Přestože PSU, jako jsou zdroje řady PLS600, běžně kalibraci nevyžadují, mohou nastat okolnosti, kdy je třeba ověřit výkon výstupního napětí zdroje a jsou vyžadována určitá nastavení kalibrace. Ke kalibraci výstupního napětí a proudu a zobrazeného napětí a proudu vyžaduje řada PLS600 kalibrovaný voltmetr a kalibrovaný proudový bočník.

PSU je nastaven na režim kalibrace a jeho výstup je ponechán otevřený s připojením pouze voltmetru. Stručně řečeno se shoduje zobrazená hodnota PSU a hodnota voltmetru a tyto hodnoty se zaregistrují stisknutím tlačítka na panelu napájecího zdroje. Proudový bočník je dále připojen přes výstup a voltmetr je připojen k bočníku. Výstup PSU se pak nastavuje, dokud externí voltmetr neodečítá přesně proud zobrazený na displeji napájecího zdroje (obrázek 5). Mějte na paměti, že napětí zobrazené na měřiči bude opět podle Ohmova zákona záviset na hodnotě použitého proudového bočníku.

Obrázek 5: Ke kalibraci PSU společnosti XP Power se používá přímý dvoukrokový proces: měření výstupního napětí v rozpojeném obvodu, po kterém následuje měření napětí na kalibrovaném bočníku zátěže. (Zdroj obrázku: společnost XP Power)

Jak získat větší napětí nebo proud

Přestože jsou PSU řady PLS600 nabízeny v kombinaci jmenovitých hodnot napětí a proudu, nepochybně nastanou okolnosti, kdy je zapotřebí více než jednoho nebo obou těchto parametrů. Zjevným řešením se zdá být získání většího zdroje, což s sebou jako negativum nese vyšší náklady. To může být obtížné ospravedlnit, protože to může být potřeba pouze na krátkou dobu. Alternativou je zvážit zapojení dvou nebo více PSU PLS600 do série pro vyšší napětí nebo paralelně pro vyšší proud.

Získání tohoto zvýšení napětí nebo proudu však není jen otázkou propojení dvou zdrojů v sérii nebo paralelně. Když jsou spojeny takovým způsobem, pravděpodobně dojde k jedné ze tří věcí:

1. Konfigurace neposkytuje potřebný výstup, je nekontrolovatelná a zdroje se s velkou pravděpodobností poškodí.
2. Konfigurace funguje, ale ne s potřebným výkonem, přesností, konzistencí nebo spolehlivostí.
3. Všechno funguje dobře, buď díky štěstí – to obecně není dobrá taktika techniků – nebo díky promyšlenému designu.

Výsledky č. 1 a č. 2 jsou nežádoucí a nepřijatelné, přestože existují způsoby, jak do určité míry vyřešit jejich nedostatky pomocí některých pečlivě vybraných a hodnocených externích součástí, jako jsou rezistory sdílející proud nebo izolační diody (obrázek 6). Podobné schéma se používá pro párování napětí. I když to funguje, je celkový výkon omezen specifikacemi menšího ze dvou zdrojů a neshodami mezi přidanými komponentami a těmito komponentami je také snižován.

Obrázek 6: Externí komponenty, jako jsou rezistory sdílející proud (vlevo) nebo izolační diody (vpravo), lze použít k paralelnímu zapojení dvou PSU pro větší možnosti proudu, ale výkon se tím zhorší. (Zdroj obrázku: XP Power)

Výsledkem je obecná myšlenka, že použití jednoho napájecího zdroje, který je určen pro danou aplikaci, způsobí mnohem méně problémů než použití dvou nebo více zdrojů paralelně nebo sériově. K žádoucímu výsledku č. 3 „v pořádku“ však dojde, pokud jsou napájecí zdroje navrženy speciálně pro sériový nebo paralelní provoz – jako jsou PSU řady PLS600.

Pro paralelní nebo sériové umísťování napájecích zdrojů PLS600 musí být jeden PSU nastaven jako hlavní a zbývající napájecí zdroje musí být nastaveny jako podřízené. Ke zvýšení napětí lze zapojit do série až dva zdroje (a musí být totožné), zatímco pro zesílení proudu lze použít paralelně až čtyři stejné zdroje. Nastavení a označení hlavních a podřízených jednotek se provádí prostřednictvím ovládání na předním panelu a existují určité maximální limity, které je třeba chápat z bezpečnostních i výkonnostních důvodů.

Rack a stohování kvůli pohodlí, organizovanosti a efektivitě

Vizuální vzhled pracovních stolů techniků se pohybuje od přiměřeně úhledných až po neuvěřitelně neuspořádané. Realita je taková, že mnoho stolů začíná úhledně, ale často se nepořádek prostě jen „hromadí“ a jeden nebo více PSU a jejich vodičů k tomuto nepořádku přispívá. V ostatních případech je PSU součástí sestavy přístrojového vybavení, která byla namontována do racku kvůli jednomu z několika důvodů:

• Je to součást volně stojícího zařízení ATE nebo projektu s dlouhodobým vyhodnocováním.
• K zajištění integrity systému a zvýšení spolehlivost tím, že se ujistíte, že vše má své zamýšlené místo a že všechny kabely jsou plně upraveny a chráněny proti vytržení.
• Kvůli potřebě přepravy a případné opětovné instalace.

Z těchto důvodů nabízí pro napájecí zdroje PLS600 společnost XP Power sadu pro montáž do racku PLS600 (obrázek 7).

Obrázek 7: Sada pro montáž do racku PLS600 společnosti XP Power usnadňuje instalaci jednoho zdroje PLS600 nebo dvou zdrojů vedle sebe do standardního racku pro vybavení se šasi. (Zdroj obrázku: XP Power)

Protože všechny výrobky řady PLS600 mají stejnou velikost krytu, lze sadu použít pro všechny z nich. Instalace PSU je díky této sadě rychlým a jednoduchým úkolem a sada umožňuje montáž dvou PSU vedle sebe.

Závěr

Stolní napájecí zdroje se velmi liší velikostí a funkcemi od vestavěných zdrojů, které mají jen málo nebo žádné uživatelské ovládací prvky nebo možnosti úprav. Stolní nebo „laboratorní“ PSU jsou základními přístroji pro vývoj prototypů, ladění a testování stejně jako pevné testovací stojany. Dobře navržený, funkčně bohatý laboratorní zdroj PSU, jako jsou výrobky řady PLS600 společnosti XP Power, nabízí jak vynikající výkon, tak i další možnosti a funkce potřebné pro efektivní a flexibilní používání od pohodlného ovládání na předním panelu až po přístup k síti a programovatelnost řízenou skriptem.

Odkazy

1. Napájecí zdroje AC-DC řady PLS600 společnosti XP Power
2. Programovatelné DC napájecí zdroje řady PLS600 společnosti XP Power – návod k obsluze
3. Programovatelné DC napájecí zdroje řady PLS600 společnosti XP Power – návod k uživatelskému programování