阿美特克程控电源部门

介绍

在当前流行的一些应用中，例如汽车电子、航空电子等，有相当多的测试场景要求直流供电能够达到非常快速的电压变化斜率。

一个典型的例子是要求输出直流脉冲波形，我们就需要根据脉冲宽度来评估对于上升/下降时间的要求，例如对于脉宽在几百毫秒的直流脉冲，可能若干毫秒的上升/下降时间是可以接受的，但如果脉宽在10毫秒，5毫秒，乃至1毫秒，那么上升沿和下降沿的时间就必须要大大小于1毫秒才能给出形态良好的脉冲波形。另一个例子是对于某些控制板进行供电时，如果电压上升速度过慢，可能会影响到待测物的后续上电时序控制功能。

对于这些应用，我们需要根据实际的测试需求来定义电源的斜率要求。本文以AMETEK程控电源部的有代表性的电源系列为例，来说明程控电源的典型斜率表现。

直流电源的电压斜率

直流程控电源的电压上升斜率典型值在零点几到几伏每毫秒，有些高压型号甚至能达到几十伏每毫秒。对于同一系列的电源，一般而言高电压的型号的电压上升斜率要高于低电压的型号，而电压相同但功率不同的型号的电压斜率则基本上没有区别。

以AMETEK旗下的经典产品Sorensen SG系列为例，其80V的型号在67%带载功率的情况下从0V上升至80V的典型时间是32毫秒（如图2波形），而800V的型号在相同情况下从0V上升至800V的典型时间是约38毫秒（如图3波形）。

换言之，同系列的电源中每个型号从0V上升至满电压输出的所需时间往往是相近的，因此换算成电压斜率后高电压的型号就可能会比低电压的型号要快很多。

图2  SG 80V型号在67%带载时的满量程输出电压变化(上升)

这条规律对于电压下降的情况基本上也可以适用，但是需要特别注意，直流电源的电压下降速率还受到带载情况的非常巨大的影响，同一机台在空载和满载时的电压下降速率的差异就能达到10倍之巨。当电源满载或者重载（输出2/3以上额定电流值）输出时，其电压下降的速率还是比较快的，基本上和其上升速率在同样的量级。但是当电源处于轻载乃至空载时，其电压下降速率就要变慢很多。对于那些在轻载情况下有电压下降斜率要求的测试场景，我们评估时务必要十分小心，不可简单套用常规的重载情况下的斜率参数。当然我们也可以通过对于轻载并联另一个专门的负载来增大电源的输出电流以加快其电压下降速率，在AMETEK程控电源部的产品目录册中就专门收录了一篇文章介绍这种方法。

此外，我们还可以从以上的几幅电压变化轨迹图上得到一些更多的信息，例如SG系列电源在电压变化的过程中，起始时的变化斜率更快，到接近到目标值时会降低斜率，其即使发生了电压满刻度的变化，也基本没有任何过冲。

交直流两用电源的电压斜率

一般交直流两用电源本质上是按照交流电源来设计的，同时提供了直流工作模式。这样的设计使得其能够提供远远高于常规直流电源的电压变化斜率，且不论是上升还是下降的斜率表现是一致的，受带载的影响也很小。

图5 AMETEK旗下的California Instruments CSW电源

以AMETEK旗下的California Instruments CSW系列电源为例，其官方规格的标称电压斜率高达6V每微秒，是常规直流电源的数千倍。当CSW工作于直流模式，基本上在其输出量程内的任意电压变化都可以在数十微秒内实现（图6、图7分别是电压0V至270V的上升和下降波形）。

图6  CSW5550的电压上升波形

如此高速的电压变化基本上达到了绝大多数测试项目的要求，包括能够输出外形基本良好的毫秒级脉冲波形。但是我们也要注意到交直流两用电源的输出不论是电压上升还是下降都会存在一个较为明显的过冲，不同的型号会有不同的表现，CSW5550是对过冲控制得相对较为良好的，大约在10%左右，持续时间在十余微秒。

如下图8是利用CSW5550来实现汽车电子中一个典型的测试波形，即依次输出脉宽为10ms，9ms，8ms……1ms的24V脉冲波形。

这种过冲可以通过人为控制电压变化斜率的方式来得到抑制，例如当CSW5550的电压变化时间被设置为1ms时，其内置控制器会自动以0.25毫秒为每一步电压变化的步进持续时间，即分四个阶梯来实现电压的变化，而最后产生的过冲也就随之降低至大约1/4的程度；另一种方式是使用外部的函数发生器生成斜率受控的波形信号，直接使用该波形来驱动CSW5550，将CSW5550当做一台放大器来使用，同样能够通过减缓电压变化斜率来达到降低电压过冲的效果。如下图9是采用外部模拟量信号(图中蓝色轨迹)控制CSW5550的输出(图中黄色轨迹)从0V花费0.1毫秒上升至28V的波形采集，可以看到基本消除了过冲。

除去过冲之外，纹波噪声是另一项交直流两用电源表现弱于常规直流电源的参数。普通直流电源的输出端带有高容量的输出电容，对于纹波噪声的抑制能力就比较强。而交直流两用电源的纹波噪声就可能会是同电压等级直流电源的好几倍了。

总结

直流电源具有高功率密度、过冲小、低输出噪声等优点，当上升及下降时间要求在数十毫秒或更长时往往能够通过相应的输出方式实现。而交直流两用电源则能够支持更快千倍的斜率变化，但需要评估其过冲及噪声表现是否满足要求。