多年前,我曾經參與了一項開發專案,其中使用的直流(DC)主電源是一個標準的開放式機架單元,它需要以大約20A電流為機箱的相對較遠部份提供5V電壓。由於作為部份供電路徑的PC電路板中IR壓降引起的問題(電源軌太薄,使用1oz銅取代2oz),負載電壓僅為4.5V左右,而規格適用於5V±200mV。因此,該設計的性能不穩定且不一致,尤其是在啟動時。

該怎麼辦呢?在快速地開會討論後,我們查看了可能的選擇。從工程設計的角度來看,第一種方案是最簡單的:直接增加額定的電源輸出(供電已稍微減少了)以補償預期的壓降。雖然這看起來像是一種簡單的解決方案,但生產人員可不喜歡在組裝線上逐一手動調整每個單元的想法;修理人員也不想到了現場替換電源時還得重覆做同樣的事情(而且這是在現實中易於忽略的一步)。因此,從工程角度來看,這項看起來簡單的解決方法有充份的理由必須被駁回。

然後馬上有人提出了另一個想法:為什麼不使用內建於電源中的遙測(remote-sensing)功能?電源的遙測設置包括兩個電源導線和兩個來自電源的感測導線,這些導線都連接至電源負載。使用這種方案時,電源是在負載上(而非輸出端)感測實際電壓,並調整負載本身以保持負載所需電壓,而無論過程中發生任何IR壓降。這正是開爾文(Kelvin)感測的變化版本,特別是用於需要準確評估電阻器上的電流以及其他測試和量測場合。

這做起似乎很簡單,而且唯一的「代價」是負載和電源之間兩條相對較細的走線(與實際電源線不同的是,它們攜帶的電流可忽略不計)。這樣的方案在製造上是可行的,現場維修也沒問題。我們高度樂觀地認為馬上就能解決這個問題,接著繼續進行設計。

但是,事情可沒這麼簡單就結束。沒錯,負載上的DC電壓似乎沒什麼問題,但DC電源軌卻也發生了許多雜訊,甚至經常出現振盪。我們才剛剛採納這項最佳想法,但看起來似乎沒那麼好。我們的下一步是「諮詢」另一項專案團隊的專業電力子系統/類比工程師。

現實的經驗教訓

這就是從現實世界的經驗中獲得教訓的最佳寫照。他甚至不必實際看到電路、系統或示波器,就告訴我們問題可能出在感測線路中的雜訊拾取。然後他繪製了一張簡單的草圖,顯示電源實際上只是一個特定的閉路負反饋放大器,專用於以固定電壓值提供可變電流,類似圖1。匹配輸出與參考的電源反饋迴路通常實體上都很小,而且完全位於電源內部,因此相對較不受雜訊拾取的影響。

Venable, circuit

電源是具有閉路負反饋的專用放大器;其反饋迴路的路徑和特性會對功率放大器的性能造成不利影響(來源:Venable Instruments)

但是當你使用遙測功能時,可以將迴路延伸至更寬廣的環境中,不僅能拾取雜訊(以迴路而言,它算是不錯的「天線」),還可以為路徑增加更多阻抗。現在,它處於一個稍微穩定的狀態。因此,遙測功能應該能最大限度地減少IR壓降效應,但也會引發各種問題。

因此,現在問題改變了:如何處理這種雜訊和振盪?顯而易見的解決方案是在遙測導線上增加濾波功能,以衰減雜訊拾取,並可能切換到隔離線。但是,至於什麼才會起作用,一切都非常微妙,而且還完全取決於雜訊而實現。此外,在遙測迴路添加濾波功能,也會對迴路動態產生其他效應。

最後,我們做了一開始就應該做的事情:盡量減少IR壓降。我們增加了一些PC電路板的支座型母線(幸好邊緣附近還有空間),並且在電源和系統的更遠部份之間添加了一些電線,而非完全依靠PCB走線作為實體DC軌。當DC軌穩定後,IR壓降大幅下降,而且一切都很順利。

但我們清楚地學到的經驗教訓是:出於善意提供的功能(此處是指電源供應商的遙測功能)在某些情況下也會適得其反,特別是未經仔細考慮後果的情況下採用。這實際上是我們學到的第二課。第一課是進行一些基本的IR壓降計算(這些計算並不難),然後在系統規劃中添加一些餘量。如果IR壓降使您的設計處於「灰色區域」或更糟,請使用更寬的PC電路板走線、更厚的銅線、電線分線盤、獨立導線——無論如何都必須要有乾淨穩定的DC額定電壓,同時考慮到電源本身的輸出容限。

畢竟,穩定的電源軌是提供一致、可靠性能的基礎,只要有任何一丁點「怪異」出現都可能導致各種詭異、間斷且難以除錯的電路行為。一旦出現了「隨機」的工程問題,就算可以依靠方便的功能(例如遙測)來解決問題,也可能讓事情變得更糟糕。

您是否使用過哪一種看起來方便且可接受的「解決方案」,實際採用後卻發生與預期相反的效果?

編譯:Susan Hong

(參考原文:When a Good Power Solution Has the Opposite Effect,by Bill Schweber)