Pas de programmeer-, netwerk- en draadloze teledetectiefuncties van benchtop-voedingen toe

Voedingen zijn er in een zeer breed scala aan waarderingen, fysieke afmetingen en vormfactoren. Hoewel het gebruikelijk is om te optimaliseren voor grootte, efficiëntie en kosten - met name in toepassingen met een beperkt vermogen zoals wearables - zijn er toepassingen waarbij de parameters van de voedingseenheid (PSU) moeten worden aangepast als een eenheid eenmaal is ingezet en in gebruik is. Dit is met name het geval bij PSU's voor benchtop of geautomatiseerde testapplicaties en -omgevingen.

Dit heeft geleid tot voedingen die een verschillende mate van flexibiliteit in het veld bieden, variërend van firmware over-the-air updates voor optimalisatie van de efficiëntie, tot always-on monitoring en controle op afstand om de nauwkeurigheid, schaalbaarheid, redundantie en effectieve load balancing van de voedingarrays te garanderen. Programmeerbaarheidsfuncties kunnen het productontwerp en de evaluatie versnellen, de functionaliteit van het systeem verbeteren en de nodige flexibiliteit bieden. Onder het steeds grotere aanbod van programmeerbare opties vallen echter vooral enkele op.

In dit artikel worden de rollen, functies en kenmerken van geavanceerde, nieuwste generatie PSU's onderzocht, die veel meer zijn dan alleen zelfstandige, op zichzelf staande, nauwkeurige, responsieve voedingen in hun eigen behuizingen. Het richt zich vervolgens op de functies en mogelijkheden, en de daaropvolgende voordelen van de nieuwste generatie, volledig genetwerkte, zeer programmeerbare PSU's van XP Power als voorbeelden.

De PSU vergeleken met de open frame-voeding

In veel ontwerpen wordt de AC/DC-voeding gebouwd of geperst op de hoofdprintplaat of een apart bord dat in een hoek wordt "gestoken". Bij andere producten is echter een aparte, onafhankelijke, aparte voedingseenheid nodig. Deze benodigdheden - soms "chassis" of "open frame" genoemd - zijn op zichzelf staand en voldoen aan de noodzakelijke verpakking, prestaties en wettelijke eisen. Veel van hen zijn verkrijgbaar bij meerdere leveranciers als tweede of alternatieve bron met betrekking tot vorm, pasvorm en functie.

Deze voedingen, getypeerd door apparaten zoals de XP Power UCH600PS36, een 36 volt, 4,16 ampère (A), 600 watt (W) open frame voeding, hebben geen gebruikersinterface omdat er geen enkele nodig is (Afbeelding 1). In plaats daarvan zijn ze ingebed in het eindproduct zonder dat er een voorziening is getroffen voor aanpassingen door de gebruiker als ze eenmaal zijn ingevoerd. Ze hebben minimale ingangs-/uitgangsaansluitingen: AC-ingang, DC-uitgang en misschien afstandsbedieningskabels.

Afbeelding 1: Een open frame voeding zoals de UCH600PS36 is ontworpen om te worden ingebed in het eindproduct zonder dat de eindgebruiker toegang heeft of de verschillende prestatieparameters ervan moeten worden aangepast. (Bron afbeelding: XP Power)

Engineering projecten hebben daarentegen behoefte aan een levering met een flexibele, eenvoudig te gebruiken interface die is geïmplementeerd via een combinatie van schakelaars, knoppen, zachte knoppen, meters, indicators en zelfs een alfanumeriek uitleesdisplay. Deze volledig instelbare PSU's zijn ontworpen om gemakkelijke aanpassing van parameters mogelijk te maken, waaronder de uitgangsspanning, de maximale stroom en de beperking van de spanning en de stroomsterkte. Ze dienen de behoeften van het engineeringteam tijdens de ontwerp-, prototype-evaluatie- en debug-fasen en worden over het algemeen "benchtop" of "lab"-benodigdheden genoemd. Ze kunnen ook in een vaste, semi-permanente opstelling worden gemonteerd voor het gemak en de netheid als onderdeel van een geautomatiseerde testapparatuur (ATE) of een andere langdurige installatie (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: "Benchtop" PSU's worden gebruikt op de engineersbank, maar ze worden ook vaak gemonteerd in een rack samen met andere testunits om een complete, verpakte instrumentatie opstelling te bieden. (Bron afbeelding: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network))

De huidige PSU's moeten voldoen aan behoeften die geavanceerder zijn dan de PSU's van enkele decennia geleden, zelfs als hun basisfunctie dezelfde is. Samen met de basisspannings- en stroomuitlezingen en de handmatige aanpassing van de uitgangsspanningswaarde moet een PSU andere handmatig gestuurde functies mogelijk maken en toegang op afstand bieden.

PSU's zoals XP Power's PLS600 Series van programmeerbare DC-voedingen doen dit door het mogelijk te maken de bedrijfsparameters aan te passen via overzichtelijke, handige bedieningselementen op het frontpaneel plus diverse aansluitmogelijkheden op het achterpaneel, waaronder USB, Ethernet en analoge interfaces (Afbeelding 3). Verder moet de PSU zijn eigen situatie en die van de lading in de gaten houden en de situatie direct en op afstand rapporteren, zowel op verzoek als bij wijze van uitzondering, om het vertrouwen in het apparaat zelf als in het grotere systeem te behouden.

Afbeelding 3: Het frontpaneel (boven) van de apparaten uit de PLS600-serie is functioneel en overzichtelijk en ondersteunt krachtige gebruikerstoegang en bewakingsfuncties; het achterpaneel (onder) heeft de AC-kabel en aansluitingen voor USB, Ethernet en analoge interfaces. (Bron afbeelding: XP Power)

De functies op het frontpaneel (weergegeven als 1 tot en met 7 in Afbeelding 3) worden in de gebruikershandleiding nader beschreven, maar zijn in oplopende volgorde: stroom aan/uit; stroom ingesteld; spanning ingesteld; uitgang aan/uit; het display; en de stroomuitgangskabelaansluitingen.

De PLS600-familie bestaat uit vijf DC-uitgangen, beginnend met de 30 volt PLS6003033 DC en eindigend met de 400 volt PLS6004002.5, allemaal met een maximaal vermogen van 600 watt.

Volledige programmeerbaarheid brengt extra voordelen met zich mee

Het is één ding om te stellen dat een PSU "programmeerbaar" is, maar het is belangrijk om te verduidelijken wat dit betekent voor een moderne PSU. Ten eerste moet de PSU een door de gebruiker instelbare in plaats van een vaste uitgangsspanning hebben; in veel gevallen kan de PSU ook functioneren als een door de gebruiker instelbare stroombron. Voor het gemak kunnen de waarden van deze primaire parameters eenvoudig worden aangepast vanaf het frontpaneel. Samen met een digitale uitlezing zijn draaiknoppen nog steeds de meest comfortabele manier om snel de gewenste waarde-instellingen in te stellen, aan te passen of te "fine-tunen".

De gebruikers kunnen onder andere de belangrijke waarden voor overspanningsbeveiliging (OVP), overstroombeveiliging (OCP) en zelfs oververmogenbeveiliging (OPP) instellen. Dit laatste is nuttig voor toepassingen waarbij de "zorg" niet de 600 W vermogenslimiet van de PLS600 PSU is, maar de maximale hoeveelheid vermogen (spanning × stroom) die de belasting uit de voeding mag halen om schade aan de voeding te voorkomen.

Vaak, na het maken van verschillende aanpassingen aan de spanning, stroom, vermogen of andere setpoints onder tijdsdruk en stress van debug en test, kunnen gebruikers onbedoeld nalaten om de waarden die ze daadwerkelijk hebben ingesteld voor deze factoren te registreren. Om deze en andere redenen maken de PLS600 PSU's een snelle weergave van de parameterwaarden mogelijk. Verder worden ze allemaal intern opgeslagen, zodat ze niet opnieuw hoeven te worden ingeschakeld.

Een dergelijke basisprogrammeerbaarheid is slechts het eerste aspect van een werkelijk veelzijdige PSU. Voor veel test- en evaluatiesituaties is het nodig om de levering een vooraf gedefinieerd real-time "script" uit te laten voeren, onafhankelijk van een netwerkverbinding. Hiervoor biedt de PLS600-serie een geavanceerde geïntegreerde scriptingmogelijkheid waarmee gebruikers aangepaste programma's kunnen schrijven voor het genereren van door de gebruiker gedefinieerde uitvoerprofielen om te voldoen aan een grote verscheidenheid van unieke vereisten, en om deze te uploaden naar de voeding om deze op commando uit te voeren.

Hierdoor kunnen de benodigdheden een geavanceerde rol spelen in het grotere systeem en zo een effectief element zijn in een productprestatiesequentie of geavanceerde levenscyclustest, zoals een sterk versnelde levenscyclusanalyse (HALT), en mogelijk helpen bij het vinden van subtiele afwijkingen die verband houden met naar de kenmerken van het subsysteem voor vermogen van het eindproduct

Connectiviteit en controle van eenvoudig naar netwerk

Hoewel een benchtop-PSU moet beschikken over een frontpaneel, hands-on, gebruikersvriendelijke bedieningselementen voor basis- en directe toegang, zijn deze onvoldoende voor een efficiënte levering op systeemniveau. Naast de handige draaiknoppen voor het instellen van spanning en stroom ondersteunt de PLS600-serie ook afstandsbediening via USB, Ethernet en analoge besturingsingangen.

De analoge besturing lijkt misschien een anachronisme, maar maakt het mogelijk om een basisscenario voor afstandsbediening direct en eenvoudig in te stellen, en kan in sommige legacy-situaties nodig zijn. Merk op dat benchtop-instrumenten meestal een lange levensduur hebben en dat er nog steeds IEEE-488 General Purpose Interface Bus (GPIB) eenheden in gebruik zijn. De analoge regeling is ook handig wanneer de voeding wordt gebruikt in een closed-loop feedbackregeling waarbij de spanning van een voeding in real time moet worden aangepast op basis van een andere gedetecteerde of afgeleide spanning.

Naast deze analoge basisbesturing zijn alle PLS600 PSU's LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) gecertificeerd, waardoor ze voldoen aan de interoperabiliteitsstandaarden voor op LAN gebaseerde instrumenten. Standaard LabVIEW en Interchangeable Virtual Instrument (IVI) drivers zijn beschikbaar voor gebruik met alle standaard software. De units ondersteunen Standaard Commando's voor Programmeerbare Instrumenten (SCPI) en door de gebruiker ontwikkelde SCPI-gebaseerde software wordt ook ondersteund. De USB- en Ethernet-ingangen zijn SCPI-conform en hebben LabVIEW-drivers beschikbaar op de website van National Instruments. Om het vertrouwen in de instel- en uitleeswaarden te garanderen, zijn de PSU's voorzien van ingebouwde 12-bits digitaal-analoge en analoog-digitaal convertors voor een nauwkeurige meting en rapportage van de spanning en de stroom.

De combinatie van een netwerkopstelling op afstand met de mogelijkheid om handmatig waarden te wijzigen, of dit onder programmacontrole te doen, en ook om te rapporteren over de status van de stroomvoorziening en de alarmcondities is meer dan een gemak. Het vermindert de noodzaak voor ingenieurs om het geteste apparaat te "babysitten" en anomalieën te zoeken en te correleren wanneer deze zich voordoen. Door dit te gebruiken in combinatie met instrumenten als een datalogger of een digitale oscilloscoop met diep geheugen en geschikte triggers is het praktisch om lange termijn testen uit te voeren en vervolgens de resultaten te downloaden voor een uitgebreidere analyse.

Adresseren van teledetectie en kalibratie

Alle stroomvoerende kabels en stroomrails zijn onderhevig aan een daling van de stroomweerstand (IR) spanning (V). Een basisberekening met behulp van de wet van Ohm (V = IR) geeft de omvang van het probleem aan. Als gevolg hiervan kan de spanning die bij de belasting wordt geleverd, gemakkelijk ergens tussen enkele millivolt onder de nominale waarde bij de toevoer liggen, tot tientallen of zelfs honderden millivolt verwijderd.

Een manier om met deze daling om te gaan is door de nominale spanning op de PSU te verhogen met een bedrag gelijk aan de daling, maar dit wordt beschouwd als een slechte oefening omdat de IR-daling een functie is van de getekende stroom en dus zal schommelen. Als gevolg hiervan kan de spanning bij de belasting te hoog zijn op momenten dat de stroom en de daaruit voortvloeiende IR-daling laag zijn.

Daarom is de gebruikelijke oplossing het gebruik van teledetectie via twee extra kabels in een Kelvin-detectiesysteem. In deze configuratie wordt de actuele spanning bij de belasting gedetecteerd en teruggevoerd naar de voeding om de uitgang dynamisch aan te passen, zodat de spanning bij de belasting altijd de gewenste waarde heeft. Deze veelgebruikte oplossing wordt als standaardpraktijk geaccepteerd en werkt meestal goed, maar heeft wel een aantal nadelen.

Ten eerste is er de behoefte aan die twee extra leads, wat een onbeduidende zaak lijkt, maar bijdraagt aan de rommel op de bank. Ten tweede is het niet altijd gemakkelijk om twee extra lage-weerstandscontacten toe te voegen aan de belasting, vooral wanneer de belastingscontacten niet zijn ontworpen om ze op te vangen. Iedereen die heeft geprobeerd om # 24 AWG-detectiedraden aan te sluiten op schroeven of andere terminals die zijn ontworpen voor de stroomvoerende # 14/12/10 AWG-voedingsrail, heeft de moeilijkheid uit de eerste hand ervaren.

Ten slotte lijken die twee extra zintuiglijke draden misschien gewoon passieve draden, maar dat zijn ze niet. Elektrisch vormen ze een feedbacklus voor een versterker die toevallig een voeding is. Elke keer dat er zo'n feedbacklus is, is er de mogelijkheid van ruisophaling of zelfs oscillatie door de ongedwongen en meestal slecht gedefinieerde lus. Dus, terwijl teledetectie het IR-druppelprobleem kan oplossen, kan het ook een verraderlijker probleem van oscillatie van de voedingsuitgang veroorzaken. Het is mogelijk dat extra filtering van het juiste type nodig is, maar een dergelijke filtering kan ook de dynamische transiënte respons van de voeding veranderen en afbreken.

Teledetectie - zonder IR-druppelinducerende kabels

Om de mechanische, elektrische en zelfs esthetische problemen in verband met teledetectie te vermijden, biedt de PLS600-serie een alternatieve aanpak met een eigen technologie om deze weerstanden digitaal te compenseren zonder dat er extra draden nodig zijn. Kortom, de gebruiker beroept zich op de teledetectiemodus vanaf het frontpaneel, maakt kortsluiting in de belastingsdraden bij de belasting en stelt de PSU-stroom in op minstens zoveel als verwacht wordt dat de belasting zal trekken (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De XP Power PLS600 PSU's ondersteunen een uniek schema voor de precompensatie van IR-drop, waardoor er geen extra teledetectiekabels nodig zijn. (Bron afbeelding: XP Power)

De PSU meet de uitgangsstroom en de totale spanningsval in de belastingsdraden en berekent vervolgens de weerstand van de belastingsdraden. De PSU kan vervolgens de uitgangsspanning op zijn voedingsklemmen in realtime aanpassen om de daling van de laadkabels te corrigeren. Hierdoor is er geen behoefte aan aparte zintuiglijke aanknopingspunten in de eigenlijke installatie.

Geavanceerde PSU's bieden ook flexibiliteit bij het kalibreren

Hoewel PSU's zoals die van de PLS600-serie normaal gesproken niet gekalibreerd hoeven te worden, kunnen er omstandigheden zijn waarin de prestaties van de uitgangsspanning van het apparaat geverifieerd moeten worden en er enkele kalibratie-aanpassingen nodig zijn. Om de uitgangsspanning en -stroom en de weergegeven spanning en stroom te kalibreren, heeft de PLS600-serie een gekalibreerde voltmeter en een gekalibreerde stroomshunt nodig.

De PSU is ingesteld op de kalibratiemodus en de uitgang wordt opengelaten met alleen de voltmeter aangesloten. Kortom, de weergegeven waarde van de PSU en de waarde van de voltmeter worden op elkaar afgestemd en de toets van het PSU-paneel wordt ingedrukt om de waarden te registreren. Vervolgens wordt de stroomshunt over de uitgang aangesloten en wordt de voltmeter op de shunt aangesloten. De PSU-uitgang wordt dan aangepast totdat de externe voltmeter precies de stroom afleest die op het voedingsdisplay wordt weergegeven (Afbeelding 5). Merk op dat de spanning die op de meter wordt weergegeven, afhankelijk is van de waarde van de gebruikte stroomshunt, wederom volgens de wet van Ohm.

Afbeelding 5: Een eenvoudig proces in twee stappen wordt gebruikt om de XP Power PSU's te kalibreren: een meting van de uitgangsspanning in een open circuit, gevolgd door een spanningsmeting over een gekalibreerde belastingsshunt. (Bron afbeelding: XP Power)

Hoe krijg je meer spanning of stroom

Hoewel PSU's in de PLS600-serie worden aangeboden in combinaties van spanning en stroomsterkte, zullen er ongetwijfeld omstandigheden zijn waarin meer van één of beide van deze parameters nodig zijn. De voor de hand liggende oplossing is om een groter aanbod te krijgen, met de keerzijde van extra kosten. Dit kan moeilijk te rechtvaardigen zijn, omdat het misschien maar voor een korte periode nodig is. Een alternatief is te overwegen om twee of meer van de PLS600 PSU's in serie te zetten voor meer spanning of in parallel voor meer stroom.

Echter, het krijgen van die toename in spanning of stroom is niet alleen een kwestie van het aansluiten van twee voedingen in serie of parallel. Wanneer ze op zo'n manier worden gecombineerd, zal waarschijnlijk een van de drie dingen gebeuren:

1. De configuratie levert niet de benodigde uitvoer, is oncontroleerbaar en de benodigdheden zijn waarschijnlijk beschadigd.
2. De configuratie werkt enigszins, maar niet met de benodigde prestaties, nauwkeurigheid, consistentie of vertrouwen.
3. Het werkt allemaal prima, hetzij vanwege geluk - over het algemeen geen goede technische tactiek - of de deugd van een opzettelijk ontwerp

Uitkomsten #1 en #2 zijn ongewenst en onaanvaardbaar, hoewel er manieren zijn om hun tekortkomingen tot op zekere hoogte te omzeilen, met enkele zorgvuldig geselecteerde en beoordeelde externe componenten zoals stroomverdelingsweerstanden of isolatiediodes (Afbeelding 6). Een soortgelijk schema wordt gebruikt voor spanningskoppeling. Zelfs als het werkt, worden de algemene prestaties beperkt door de specificaties van de kleinste van de twee leveringen en mismatches tussen de toegevoegde componenten en ook door die componenten gedegradeerd.

Afbeelding 6: Externe componenten zoals stroomverdelingsweerstanden (links) of isolatiediodes (rechts) kunnen worden gebruikt om twee PSU's parallel te plaatsen voor extra stroomcapaciteit, maar de prestaties worden hierdoor minder goed. (Bron afbeelding: XP Power)

Het algemene idee is dan ook dat het veel minder problemen oplevert om één enkele voeding te gebruiken die voor de toepassing geschikt is, in plaats van twee of meer parallelle of seriematige voedingen. Dat wenselijke resultaat #3 van "working fine" zal zich echter voordoen als de voedingen specifiek ontworpen zijn voor serie- of parallelle werking, zoals de PSU's van de PLS600-reeks.

Om PLS600 PSU's in parallel of in serie te plaatsen, moet één voeding als master worden ingesteld en moet de rest van de voedingen als slave worden ingesteld. Tot twee voedingen (en ze moeten identiek zijn) kunnen in serie worden geschakeld voor spanningsverhoging, terwijl tot vier identieke eenheden parallel kunnen worden gebruikt voor stroomverhoging. Het instellen en aanwijzen van de master- en slave-units gebeurt via de bediening van het frontpaneel, en er zijn enkele maximale limieten die zowel om veiligheids- als om prestatieredenen moeten worden begrepen.

Rack en stapel voor gemak, discipline, efficiëntie

Het visuele uiterlijk van de ingenieurswerkbanken varieert van redelijk netjes tot ongelofelijk rommelig. De realiteit is dat veel benches netjes beginnen, maar dat de rommel zich vaak gewoon "opbouwt" en dat de enkele of meerdere PSU's en hun kabels die rommel nog vergroten. In andere gevallen maakt de PSU deel uit van een instrumentarium dat om een van de vele redenen in een rack is gemonteerd:

• Het maakt deel uit van een vrijstaand ATE- of langetermijn-evaluatieproject.
• Om de integriteit van het systeem te waarborgen en de betrouwbaarheid te verbeteren door ervoor te zorgen dat alles zijn plaats heeft en dat alle kabels volledig gekleed zijn en spanningsvrij zijn.
• Noodzaak van transport en eventuele herinstallatie

Om deze redenen biedt XP Power de PLS600 Rack Mount Kit voor de PLS600 PSU's (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De XP Power PLS600 Rack Mount Kit vergemakkelijkt de installatie van een enkele PLS600-unit of een naast elkaar staand paar units in een standaard chassisuitrustingsrack. (Bron afbeelding: XP Power)

Aangezien alle leden van de PLS600-serie dezelfde behuizingsafmetingen hebben, werkt de kit voor alle leden. De installatie van een PSU met behulp van deze kit is een snelle en eenvoudige taak, en de kit maakt het mogelijk om twee PSU's naast elkaar te monteren.

Conclusie

Benchtop-voedingen verschillen qua vorm en functie sterk van embedded units die weinig of geen bedieningselementen of aanpassingen door de gebruiker hebben. Benchtop of "laboratorium" PSU's zijn essentiële instrumenten voor de ontwikkeling van prototypes, het debuggen en testen, evenals vast opgestelde testopstellingen. Een goed ontworpen, feature-rijke laboratorium PSU, zoals die in de XP Power PLS600 serie, biedt zowel superieure prestaties als de extra mogelijkheden en functies die nodig zijn voor een efficiënt en flexibel gebruik, variërend van handige bediening op het frontpaneel tot toegang via het netwerk en programmeerbaarheid op basis van scripts.

Referenties

1. XP Power AC-DC Power Supplies PLS600-serie
2. XP Power User Manual PLS600 Series Programmeerbare DC voedingen
3. XP Power User Programming Manual PLS600-serie Programmeerbare DC voedingen