運用桌上型電源供應器的可編程性、連網和無引線遠端感測功能

電源供應器提供超多種額定值、實體尺寸和型式。儘管通常會為大小、效率和成本進行最佳化，尤其是在穿戴式裝置等功率受限的應用中，但有些應用仍需要在裝置部署後以及使用期間，調整電源供應器單元 (PSU) 的參數。在桌上型或自動化測試應用和環境中的 PSU 尤其如此。

因此，市面上湧現各種不同彈性的電源供應器，範圍從實現最佳效率的韌體空中更新，到常開式遠端監控，以確保電源供應器陣列的準確度、可擴充性、備援性和有效負載平衡。可編程性特點能加速產品設計和評估、增強系統功能，並提供所需的彈性。但是，在日漸增多的可編程選擇中，有一些特別引人注目。

本文將探討最新一代先進 PSU 的角色、功能和特點。這些 PSU 不僅僅是自成一體的獨立、準確、回應快速的電源供應器。然後，本文將以 XP Power 最新一代的全網路、高度可編程的 PSU 為例，重點介紹這些產品的特點、功能及後續優勢。

PSU 與開放式電源供應器的比較

在許多設計中，AC/DC 電源供應器都是被構建或擠到主電路板上，或置於另一塊被「塞入」角落的獨立板件上。在其他產品中，則需要另外的獨立電源供應器。這些供應器有時稱為「底盤」或「開放式」供應器，本身自成一體，並符合必要的封裝、效能和法規要求。其中有許多可從多家供應商取得，在外形、適配性與功能方面作為第二來源或替代來源。

這些供應器的代表有 XP Power 的 UCH600PS36 (一款 36 V、4.16 A、600 W 開放式電源供應器)，本身無使用者介面，因為根本不需要 (圖 1)。這類供應器嵌入到最終產品中，一旦投入使用，使用者便無法進行調整。它們具有最少的輸入／輸出連接數：AC 輸入、DC 輸出，也許還有遠端感測引線。

圖 1：UCH600PS36 等開放式電源供應器，是專為嵌入終端產品中而設計，使用者不需要存取或調整各種效能參數。(圖片來源：XP Power)

相比之下，工程專案需要一個介面夠靈活易用的電源供應器，而且該介面是透過開關、旋鈕、軟按鈕、儀表、指示器，甚至文數字讀數顯示器的組合來實作。這些完全可調的 PSU 方便使用者調整參數，包括輸出電壓、最大電流，以及電壓／電流限制等。在設計、原型評估和偵錯階段中，這些供應器可滿足工程團隊的需求，通常稱為「桌上型」或「實驗室」供應器。為求方便和整齊，這些供應器也能以固定的半永久性配置進行機架安裝，作為自動化測試設備 (ATE) 或其他長期安裝結構的一部分 (圖 2)。

圖 2：「桌上型」PSU 雖然用於工程師的工作台上，但也常和其他測試裝置一起安裝在機架中，以提供完整的封裝儀器結構。(圖片來源：英國業餘無線電天文學網路 (UKARANet))

即使基本功能相同，但現今的 PSU 必須滿足的需求，比幾十年前 PSU 需滿足的需求更複雜。除了基本的電壓和電流讀數，以及手動調整輸出電壓值之外，PSU 還必須實現其他手動指示功能，並提供遠端存取。

為達成此目的，可編程 DC 電源供應器的 PSU，例如 XP Power 的 PLS600 系列，允許透過整齊方便的前面板控制項，以及各種後面板連接選項 (包括 USB、乙太網路和類比介面)，來調整操作參數 (圖 3)。此外，PSU 必須監控自身情況和負載情況，並在需要時和例外情況下，直接從遠端回報情況，以安心無虞地控制裝置本身以及較大系統。

圖 3：PLS600 系列裝置的前面板 (上圖) 功能齊全且整齊，同時支援強大的使用者存取和監控特點；後面板 (下圖) 有 AC 線和 USB、乙太網路及類比介面的連接器。(圖片來源：XP Power)

前面板上的功能 (圖 3 中的 1 至 7) 在使用者手冊中有詳細的說明，數字由小到大分別為電源開關、電流組、電壓組、輸出開關、顯示器，以及電源輸出引線插槽。

PLS600 系列包含五個 DC 輸出裝置，從 30 V 的 PLS6003033 DC 開始，到高達 400 V 的 PLS6004002.5，最大功率額定值均為 600 W。

完整的可編程性帶來更多優勢

雖說 PSU「可編程」，但需釐清可編程對現代 PSU 的意義。首先，PSU 的輸出電壓不能固定，必須能讓使用者設定；在許多情況下，PSU 也能作為可供使用者設定的電流源。為方便起見，這些主要參數的值可根據需要從前面板輕鬆調整。除了數字讀數外，旋轉控制項仍然是快速設定、調整或微調至理想值最輕鬆的方式。

使用者可設定的其他參數包括重要的過電壓保護 (OVP)、過電流保護 (OCP)，甚至過功率保護 (OPP) 值。對於某些應用，如果不「擔心」PLS600 PSU 的 600 W 功率上限，而是擔心應允許負載從電源中最多汲取多少功率 (電壓 × 電流)，以免對其造成任何損壞，過功率保護值就很有用。

通常，使用者在時間、偵錯和測試的壓力下，對電壓、電流、功率或其他設定點做出各種調整後，可能會無意間忘了記錄他們實際為這些係數設定的值。由於這項原因和其他因素，PLS600 PSU 允許快速顯示參數值。此外，這些值均儲存在內部，因此無需在接上電源時重新輸入。

PSU 功能多樣，這種基本的可編程性只不過是 PSU 的第一個層面。對於許多測試和評估情況，需要讓電源供應器執行一個與網路連線無關的預先定義即時「指令碼」。為此，PLS600 系列提供了複雜的整合式指令碼能力，讓使用者能編寫自訂程式，產生使用者定義的輸出設定檔，以因應各種獨特的需求，並將設定檔上傳到電源供應器，依命令執行。

這使得電源供應器可以在較大系統中扮演高階的角色，並因此成為產品效能次序或進階生命週期試驗 (如高加速壽命試驗 (HALT)) 中的有效元素，並且可能有助於找出與最終產品電源子系統特性有關的細微異常情形。

連接性和控制 - 從簡單到連網

雖然桌上型 PSU 應該要有前面板和手動操作的簡便控制項，以進行基本的即時存取，但這些對高效率的系統級電源供應器來說仍然不夠。除了方便調整電壓和電流的旋轉控制項外，PLS600 系列還透過 USB、乙太網路和類比控制輸入，支援遠端控制。

類比控制也許看似過時，但能讓人輕鬆直接設定基本的遠端控制情境，在某些傳統情況下可能仍需要用到。請注意，桌上型儀器的壽命通常較長，而且現在還是有人使用 IEEE-488 通用介面匯流排 (GPIB) 裝置。當電源供應器在封閉迴路回授配置中使用，且必須根據某些感應到或衍生出的電壓，即時調整電源供應器的電壓時，類比控制也很方便。

除了基本的類比控制外，所有 PLS600 PSU 都通過 LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) 認證，符合區域網路型儀器的互操作性標準。標準 LabVIEW 和 Interchangeable Virtual Instrument (IVI) 驅動程式，可用於搭配所有標準軟體使用。裝置支援可編程儀器標準命令 (SCPI)，也支援使用者開發的 SCPI 架構軟體。USB 和乙太網路輸入符合 SCPI 的要求，並且 National Instruments 網站上提供 LabVIEW 驅動程式。為確保設定值和回讀值可靠，PSU 包含嵌入式 12 位元數位類比轉換器和類比數位轉換器，用於準確地測量和報告電壓與電流。

除了連網遠端設定，還能手動或在程式控制下變更數值，並提供電源供應器狀態和警報條件報告，這項結合不只提供方便性而已。這讓工程師不必如此「照顧」受測裝置，並在發生異常時尋找和關聯異常情形。若結合一些儀器使用，例如具備深層記憶與合適觸發器的資料記錄器或數位示波器，則可執行長期測試，然後下載結果，進行更全面的分析。

解決遠端感測與校正問題

所有的載流引線和電軌，都會受到電流-電阻 (IR) 電壓 (V) 下降的影響。一項使用歐姆定律進行的基本計算 (V = IR)，展示了此問題的嚴重性。因此，負載處所提供的電壓，可能介於電源標稱值以下數 mV，到數十或甚至數百 mV。

此壓降的應對方法之一是為 PSU 的標稱電壓加上與壓降相同的值，以做出補償，但此做法並不理想，因為 IR 壓降會隨汲取的電流而變化，因此會發生波動。結果是，當電流和產生的 IR 壓降很低時，負載處的電壓實際上可能過高。

出於這個原因，通常的解決方法是透過兩條採取遠端感測佈置的額外引線，進行遠端感測。在這種配置中，會感測負載處的實際電壓，並將該電壓送回電源供應器，以動態調整輸出，讓負載處的電壓始終具有所需的值。這種廣泛使用的解決方案已被認可為標準作法，並且通常效果很好，但還是有一些缺點。

首先，需要使用那兩條額外的引線，這看似是一件小事，但會讓檯面更加雜亂。其次，在負載處新增兩個額外的低電阻觸點並非總是很容易，尤其是當負載觸點原本並未設計容納這兩個觸點時。任何人只要試過將 #24 AWG 感測引線連接到針對載流 #14/12/10 AWG 電源供應器電軌設計的螺絲或其他端子，都親身體驗過此難處。

最後，那兩條額外的感測引線或許看起來只是被動電線，但實際上並非如此。從電氣特性來看，它們會針對剛好是電源供應器的放大器形成回授迴路。每當有這樣的回授迴路時，就可能因為未受約束或通常定義不良的迴路，而發生雜訊拾取甚至是振盪的情形。因此，雖然遠端感測可能會解決 IR 壓降的問題，但也可能引發更為隱蔽的電源輸出振盪問題。另外可能需要正確類型的額外濾波，但這種濾波也可能使電源的動態暫態響應發生改變及劣化。

遠端感測—無 IR 壓降誘導引線

為了避開與遠端感測相關的機械、電氣甚至美觀問題，PLS600 系列提供了一種替代方法，使用自行研發的技術對這些電阻進行數位補償，且不需要任何額外的電線。簡單來說，使用者從前面板調用遠端感測模式，在負載處讓負載電線短路，並將 PSU 電流設為至少與該負載預期將汲取的電流值一樣大 (圖 4)。

圖 4：XP Power 的 PLS600 PSU 支援 IR 壓降預先補償的獨特機制，因此不需額外使用遠端感測引線。(圖片來源：XP Power)

PSU 會測量負載電線中的輸出電流和總壓降，接著計算負載電線的電阻。然後，PSU 能即時調整其電源端子處的輸出電壓，以修正負載纜線中的壓降。因此，在實際安裝中不需要使用單獨的感測引線。

先進的 PSU 還提供校正彈性

雖然諸如 PLS600 系列這類的 PSU 通常不需要校正，但是在某些情況下，需要驗證裝置的輸出電壓效能，也需要進行某些校正調整。要校正輸出電壓和電流以及顯示的電壓和電流，PLS600 系列需要使用經過校正的伏特計，與經過校正的電流分流器。

PSU 設定成校正模式，並持續開放輸出，只接上伏特計。簡單來說，PSU 顯示的數值與伏特計的數值匹配，然後按下 PSU 面板按鈕以註冊這些數值。接著，將電流分流器連接到輸出上，將伏特計連接到電流分流器。然後調整 PSU 輸出，直到外接式伏特計的讀數，與電源供應器顯示器上的電流完全相同 (圖 5)。請注意，同樣按照歐姆定律，伏特計上顯示的電壓將取決於所用的電流分流器數值。

圖 5：使用簡單的兩步驟程序來校正 XP Power 的 PSU，即先測量開路輸出電壓，然後在經過校正的負載分流器上測量電壓。(圖片來源：XP Power)

如何取得更多電壓或電流

雖然 PLS600 系列的 PSU 都是結合電壓和電流額定值來提供，但有時無疑需要更多電壓和／或電流額定值。要解決此問題，顯然要取得更大的電源供應器，但缺點是會增加成本。此方法可能很難說得過去，因為這種供應器只需要使用一小段時間而已。替代方法是考慮將兩個或多個 PLS600 PSU 串聯，以取得更多電壓，或是並聯以取得更多電流。

不過，想要取得更多電壓和電流，不只是將兩個電源供應器串聯或並聯即可。串聯或並聯時，很可能會發生以下三種情況之一：

1. 配置不能提供所需的輸出、配置無法控制，並且電源供應器很有可能會受損
2. 配置稍微能奏效，但不能提供所需的效能、準確度、一致性或置信度
3. 一切運作良好，因為設計經過深思熟慮，或純粹靠運氣 (後者通常不是個很好的工程策略)

我們不想看到、也無法接受第一和第二個結果，雖然使用某些方法和經過仔細挑選及額定的外部組件 (如分流電阻或隔離二極體)，能稍微避開這些結果的缺點 (圖 6)。類似的機制也用於電壓配對。就算可行，整體效能也會因兩個電源供應器中較小者的規格而受限、因新增的組件發生不匹配而受限，並因這些組件而劣化。

圖 6：分流電阻 (左) 或隔離二極體 (右) 等外部組件可用來將兩個 PSU 並聯，以取得額外的電流能力，但是這樣做會降低效能。(圖片來源：XP Power)

因此，大略來說，比起將兩個或多個電源供應器串聯或並聯，使用一個針對該應用進行額定的電源供應器，造成的問題要少得多。但是，如果電源供應器是專為串聯和並聯運作所設計 (如同 PLS600 系列的 PSU)，也會發生令人滿意的第三個結果，即「運作良好」。

若要將 PLS600 PSU 並聯或串聯，一定要將一個電源供應器設定為主控元件，其餘的電源供應器必須設定為從屬元件。最多可將兩個電源供應器 (兩者必須相同) 串聯來提高電壓，並且最多可將四個相同的裝置並聯使用，來提高電流。主控元件和從屬元件是透過前面板控制項來設定與指派，而基於安全和效能的理由，必須對某些最大限值有所瞭解。

採用機架和堆疊，以求方便、規整、有效率

工程師工作台的外觀，有的相當整齊，有的甚至亂到不可思議。事實上，許多工作台開始時都很整齊，但往往東西愈積愈多，一台或多台 PSU 及引線更添雜亂。或者，PSU 屬於儀器組件的一部分，該組件因以下其中一個原因安裝於機架上：

• 該組件是某個獨立式 ATE 或長期評估專案的一部分
• 透過確保所有裝置都位於預期的位置，並且所有纜線都徹底經過整理並具防拉性，來提供系統完整性並強化可靠性
• 需要運送，且最終需重新安裝

基於這些原因，XP Power 為 PLS600 PSU 提供了 PLS600 機架安裝套件 (圖 7)。

圖 7：XP Power 的 PLS600 機架安裝套件能讓人更輕易地將單個 PLS600 裝置或並排裝置組，安裝於標準底盤設備機架中。(圖片來源：XP Power)

由於 PLS600 系列的所有產品都有相同的外殼尺寸，因此這個套件適用於該系列的所有產品。使用此套件安裝 PSU 快速又簡單，並且此套件還能讓您並排安裝兩個 PSU。

結論

桌上型電源供應器單元的形式及功能和嵌入式裝置非常不同，後者供使用者控制或調整的機會非常少，或完全沒有。桌上型 PSU 又稱「實驗室」PSU，是原型開發、偵錯、測試以及就地固定測試站的必要儀器。XP Power 的 PLS600 系列等設計良好、功能豐富的實驗室 PSU，能提供優異的效能，以及其他實現高使用效率及使用彈性所需的能力與功能，舉凡便利的前面板控制項，到網路存取和以指令碼驅動的可編程性。

參考

1. XP Power AC-DC 電源供應器 PLS600 系列
2. XP Power 使用者手冊 PLS600 系列可編程 DC 電源供應器
3. XP Power 使用者編程手冊 PLS600 系列可編程 DC 電源供應器