При выборе источника питания постоянного тока одним из первых вопросов, на который необходимо ответить, является то, какой тип источника питания лучше всего подходит для вашего применения. Существует три наиболее распространенных типа источников питания постоянного тока. Различные конструкции обеспечивают высокое постоянное напряжение, низкие пульсации и шумы или более высокую эффективность.
Основные типы источников питания, основанные на различных принципах проектирования:
Линейные источники питания
Линейные регулируемые источники питания обеспечивают высокое постоянное выходное напряжение, низкие пульсации и шумы, а также быстрое регулирование даже при высоких переходных процессах в линии и нагрузке. Они создают значительно меньше электромагнитных помех, чем источники питания с переключаемым режимом. Обычный сетевой трансформатор изолирует линию питания от вторичных цепей (выходных каскадов). За ним следует выпрямитель, который подает нерегулируемое напряжение на последовательный исполнительный механизм. Конденсаторы на входе и выходе схемы регулятора служат буферами и уменьшают пульсации.
Аналоговый выходной усилитель управляется высокоточным опорным напряжением. Этот усилитель, как правило, быстродействующий и обеспечивает очень короткое время восстановления при изменении нагрузки.
Линейные источники питания R&S Essentials: R&S ® NGA100, R&SINGLE 200, R&S ® NGM200, R&SQU 201/401.
Источники питания с переключаемым режимом (SMPS)
SMPS, например R&S ® NGP800, обладают гораздо более высокой эффективностью, чем линейные регулируемые источники питания. На первом этапе линейное напряжение выпрямляется. Из-за высокого входного напряжения можно использовать буферные конденсаторы небольшой емкости. На втором этапе преобразуемое напряжение постоянного тока прекращается на высокой частоте.
Это происходит в переключающем транзисторе и требует только сравнительно небольших и легких ферритовых дросселей или трансформаторов с низкими потерями. Переключающий транзистор полностью включается и выключается, следовательно, потери при переключении невелики. Выходное напряжение обычно регулируется путем изменения рабочего цикла переключающего транзистора. Выпрямитель и фильтр нижних частот улучшают качество выходного сигнала.
Источники питания со смешанной архитектурой
Используются различные комбинации вышеуказанных базовых конструкций. Например, в источниках питания R&S ® NGE100B используется сетевой трансформатор на входе, за которым следует выпрямитель и схема коммутируемого режима для регулирования выходного напряжения, что обеспечивает высокую эффективность. Линейный каскад уменьшает нежелательные компоненты сигнала на выходе. Другим примером смешанной архитектуры является R&S ® HMP2000/4000.
Квадранты источников питания постоянного тока
Если ток поступает на клемму с положительным напряжением, источник питания действует как электронная нагрузка. Он потребляет энергию вместо источника питания. Приборы, которые функционируют как источник, так и приемник, могут имитировать батареи или нагрузки; они называются двухквадрантными (или четырехквадрантными) источниками питания. Rohde & Schwarz предлагает двух- и четырехквадрантную архитектуру. Приборы автоматически переключаются из режима источника в режим приемника. Когда напряжение, подаваемое извне, превышает установленное номинальное напряжение, в источник питания поступает ток, о чем свидетельствует отрицательный показатель тока.
Архитектура источников питания может быть полностью определена с использованием декартовой системы координат. Четыре квадранта показывают все комбинации положительного и отрицательного напряжения и тока. На рисунке ниже показана система координат с напряжением по вертикали и током по горизонтали.
Как упоминалось выше, стандартные источники питания обычно генерируют напряжение только положительной полярности (т.е. они работают в первом квадранте), например, от 0 В до 20 В. Если источник питания может подавать либо положительное, либо отрицательное напряжение на свои выходные клеммы без необходимости переключения внешней проводки, он называется биполярным источником питания и будет работать в квадрантах 1 и 3, обеспечивая, например, напряжение от -20 В до +20 В. Такие приборы могут быть использованы, среди прочего, для проверки характерного поведения полупроводников при биполярных напряжениях в точке 0 В.
Источники питания, которые могут работать в квадрантах 1 и 3, как правило, также обеспечивают функциональность приемника для положительных и отрицательных напряжений и токов. Они могут работать во всех четырех квадрантах и называются единицами измерения источника (SMU). В первом и третьем квадрантах ток течет из клеммы напряжения; прибор подает питание. Во втором и четвертом квадрантах ток течет в клемму напряжения; прибор подает питание.
Channels with identical voltage ranges
Каналы с одинаковыми диапазонами напряжений
Большинство источников питания Rohde&Schwarz обеспечивают одинаковый диапазон напряжений на всех каналах. Это означает, что не имеет значения, какой канал вы выбираете для конкретного применения. Каждый канал можно рассматривать как отдельный источник питания.
Пульсации и шумы
Усовершенствованная, сложная электронная схема очень чувствительна к колебаниям напряжения на линиях питания. Чтобы свести к минимуму помехи при питании тестируемых устройств (DUT), источники питания должны обеспечивать чрезвычайно стабильные выходные напряжения и токи. В идеале на выходе не должно быть колебаний напряжения. На практике существует два типа изменений, которые могут повлиять на схему или устройство: периодические изменения (пульсации) и случайные изменения (шум), также называемые периодическими и случайными отклонениями (PaRD). Линейные источники питания демонстрируют значительно более низкие высокочастотные пульсации по сравнению с импульсными источниками питания.
В специализированных источниках питания, а также в некоторых базовых источниках питания, таких как R&S ® NGA100, используется линейное регулирование напряжения для минимизации остаточных пульсаций и шума.
Переменный выходной импеданс
Выходы специализированных источников питания могут быть сконфигурированы различными способами. Например, могут быть установлены такие параметры, как выходное сопротивление, задержка включения и различные режимы запуска. Источники питания должны иметь как можно более низкое выходное сопротивление, чтобы избежать воздействия нагрузки на DUT. Однако существуют приложения, которые требуют контролируемого моделирования работы батарей или имитации увеличения внутреннего сопротивления по мере разряда батареи. Блоки питания R&ANGLE 200, R&S ® NGM200 и R&S ® NGU201 поддерживают эти приложения с регулируемым выходным сопротивлением.