Aplicar recursos de programação, funcionamento em rede e sensoriamento remoto sem chumbo das fontes de alimentação Benchtop

As fontes de alimentação vêm em uma gama extremamente ampla de classificações, tamanhos físicos e fatores de forma. Embora seja comum otimizar para tamanho, eficiência e custo - especialmente em aplicações com restrições de energia, tais como produtos de desgaste - há aplicações onde os parâmetros da unidade de fornecimento de energia (PSU) precisam ser ajustados uma vez que uma unidade esteja implantada e em uso. Este é particularmente o caso das PSUs para aplicações e ambientes de teste de bancada ou automatizados.

Isto deu origem a fontes de alimentação que proporcionam vários graus de flexibilidade no campo, desde atualizações de firmware por via aérea para otimização da eficiência, até monitoramento e controle remoto sempre ligado para garantir precisão, escalabilidade, redundância e balanceamento de carga efetivo das matrizes de alimentação. As características de programabilidade podem acelerar o projeto e a avaliação do produto, melhorar a funcionalidade do sistema e proporcionar a flexibilidade necessária. No entanto, entre a gama sempre crescente de opções programáveis disponíveis, algumas em particular se destacam.

Este artigo examina os papéis, funções e características das PSUs avançadas de última geração, que são muito mais do que apenas fontes de alimentação autônomas, autônomas, precisas e responsivas em seus próprios recintos. Em seguida, concentra-se nas características e capacidades e nos benefícios subseqüentes das PSUs de última geração, totalmente conectadas em rede e altamente programáveis da XP Power, como exemplos.

A PSU em comparação com o fornecimento de estrutura aberta

Em muitos projetos o fornecimento de AC/DC é construído ou apertado sobre a placa principal do computador ou uma placa separada que é "enfiada" em um canto. Em outros produtos, entretanto, é necessária uma unidade de fornecimento de energia distinta, independente e separada. Esses suprimentos - às vezes chamados de "chassis" ou suprimentos de "estrutura aberta" - são autocontidos e atendem às exigências necessárias de embalagem, desempenho e regulamentação. Muitos deles estão disponíveis em vários fornecedores como segunda ou alternativa no que diz respeito à forma, ajuste e função.

Estas fontes, tipificadas por unidades como a XP Power UCH600PS36, uma fonte de alimentação de 36 volts, 4,16 ampères (A), 600 watts (W) de estrutura aberta, não têm interface de usuário, pois nenhuma é necessária (Figura 1). Em vez disso, eles são incorporados ao produto final, sem nenhuma provisão para ajustes do usuário uma vez que sejam colocados em campo. Eles têm conexões mínimas de entrada/saída: Entrada AC, saída DC e talvez cabos de sensoriamento remoto.

Figura 1: Uma fonte de alimentação de quadro aberto como o UCH600PS36 foi projetada para ser embutida no produto final sem necessidade de acesso do usuário final ou ajuste de seus vários parâmetros de desempenho. (Fonte de imagem: XP Power)

Em contraste, os projetos de engenharia precisam de um fornecimento com uma interface flexível e fácil de usar implementada através de uma combinação de interruptores, botões, soft buttons, medidores, indicadores e até mesmo um display alfanumérico de leitura. Estas PSUs totalmente ajustáveis são projetadas para permitir o ajuste conveniente dos parâmetros, incluindo tensão de saída, corrente máxima e limitação de tensão/corrente, entre outros fatores. Eles atendem às necessidades da equipe de engenharia durante as fases de projeto, avaliação de protótipos e depuração, e são geralmente chamados de suprimentos de "bancada" ou de "laboratório". Eles também podem ser montados em um rack fixo, semi-permanente para conveniência e limpeza como parte de um equipamento de teste automatizado (ATE) ou outra instalação de longo prazo (Figura 2).

Figura 2: As PSUs "Benchtop" são utilizadas na bancada do engenheiro, mas também são frequentemente montadas em um rack junto com outras unidades de teste para fornecer uma configuração de instrumentação completa e embalada. (Fonte da imagem: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

As PSUs de hoje devem satisfazer necessidades que são mais sofisticadas do que aquelas tratadas pelas PSUs de apenas algumas décadas atrás, mesmo porque sua função básica é a mesma. Junto com as leituras básicas de tensão e corrente, e o ajuste manual do valor da tensão de saída, uma PSU deve permitir outras funções direcionadas manualmente, bem como oferecer acesso remoto.

PSUs como a série PLS600 da XP Power de fontes de alimentação DC programáveis fazem isso permitindo que o ajuste dos parâmetros operacionais seja feito através de controles convenientes e não desordenados no painel frontal, além de várias opções de conectividade no painel traseiro incluindo USB, Ethernet e interfaces analógicas (Figura 3). Além disso, a PSU deve monitorar sua própria situação e a da carga, e relatar a situação direta e remotamente, tanto sob demanda quanto como exceção, a fim de manter a confiança na própria unidade, bem como no sistema maior.

Figura 3: O painel frontal (superior) das unidades da série PLS600 é funcional e desordenado, suportando ao mesmo tempo poderosos recursos de acesso e monitoramento do usuário; o painel posterior (inferior) tem o cabo CA e conectores para interfaces USB, Ethernet e analógicas. (Fonte de imagem: XP Power)

As funções no painel frontal (mostradas como 1 a 7 na Figura 3) são descritas com mais detalhes no manual do usuário, mas são, em ordem ascendente: liga/desliga; conjunto de corrente; conjunto de tensão; liga/desliga saída; o display; e os soquetes de saída de energia.

A família PLS600 consiste em cinco unidades de saída DC começando com o PLS6003033 DC de 30 volts e terminando com o PLS6004002.5 de 400 volts, todos com uma potência máxima de 600 watts.

Programabilidade total traz benefícios adicionais

Uma coisa é afirmar que uma PSU é "programável", mas é importante esclarecer o que isto significa para uma PSU moderna. Primeiro, a PSU deve ter uma tensão de saída ajustável pelo usuário em vez de fixa; em muitos casos, a PSU também pode funcionar como uma fonte de corrente ajustável pelo usuário. Por conveniência, os valores destes parâmetros primários são facilmente ajustados conforme necessário, a partir do painel frontal. Junto com uma leitura digital, os controles rotativos ainda são a maneira mais confortável de ajustar, ajustar ou "afinar" rapidamente as configurações de valores desejados.

Entre outros parâmetros que os usuários podem definir estão os importantes valores de proteção de sobretensão (OVP), proteção de sobrecorrente (OCP) e até mesmo proteção de sobrealimentação (OPP). Este último é útil para aplicações em que a "preocupação" não é o limite de potência de 600 W da PLS600 PSU, mas a quantidade máxima de potência (tensão × corrente) que a carga deve poder retirar da fonte de alimentação para evitar qualquer dano a ela.

Muitas vezes, após fazer vários ajustes na tensão, corrente, potência ou outros pontos de ajuste sob pressão de tempo e tensão de depuração e teste, os usuários podem inadvertidamente negligenciar o registro dos valores que realmente definiram para estes fatores. Devido a esta e outras razões, as PLS600 PSUs permitem uma rápida exibição dos valores dos parâmetros. Além disso, todos eles são armazenados internamente para que não precisem ser reintroduzidos na alimentação.

Tal programabilidade básica é apenas o primeiro aspecto de uma PSU verdadeiramente versátil. Para muitas situações de teste e avaliação, há a necessidade de que o fornecimento execute um "script" pré-definido em tempo real, independente de uma conexão de rede. Para isso, a série PLS600 oferece uma sofisticada capacidade de scripting integrado que permite aos usuários escrever programas personalizados para a geração de perfis de saída definidos pelo usuário para atender a uma grande variedade de requisitos exclusivos, e carregá-los para a fonte de alimentação para execução sob comando.

Isto permite que os suprimentos desempenhem um papel avançado no sistema maior e assim sejam um elemento eficaz em uma seqüência de desempenho do produto ou teste avançado de ciclo de vida, como um teste de vida altamente acelerado (HALT), e possivelmente de ajuda para encontrar anomalias sutis relacionadas às características do subsistema de energia do produto final.

Conectividade e controle do simples para o trabalho em rede

Embora uma PSU de bancada deva ter painel frontal, controles práticos e fáceis de usar para acesso básico e imediato, estes são inadequados para um fornecimento eficiente em nível de sistema. Além dos convenientes controles rotativos para ajuste de tensão e corrente, a série PLS600 também suporta controle remoto via USB, Ethernet, e entradas de controle analógico.

O controle analógico pode parecer um anacronismo, mas permite a configuração direta e fácil de um cenário básico de controle remoto, e pode ser necessário em algumas situações herdadas. Observe que os instrumentos de bancada tendem a ter uma longa vida útil e ainda há unidades IEEE-488 General Purpose Interface Bus (GPIB) em uso. O controle analógico também é conveniente quando a alimentação está sendo usada em um arranjo de feedback em circuito fechado onde a tensão da alimentação deve ser ajustada em tempo real com base em alguma tensão sentida ou derivada.

Além desse controle analógico básico, todas as PLS600 PSUs são certificadas como LAN eXtensions for Instrumentation (LXI), atendendo assim aos padrões de interoperabilidade para instrumentos baseados em LAN. Os drivers padrão LabVIEW e Interchangeable Virtual Instrument (IVI) estão disponíveis para uso com todos os softwares padrão. As unidades suportam Comandos Padrão para Instrumentos Programáveis (SCPI) e software baseado em SCPI desenvolvido pelo usuário também é suportado. As entradas USB e Ethernet são compatíveis com SCPI e têm drivers LabVIEW disponíveis no site da National Instruments. Para garantir a confiança na definição e nos valores de retorno, as PSUs incluem conversores digital-para-analógico e analógico-para-digital de 12 bits incorporados para medição e relatório precisos de tensão e corrente.

A combinação de rede, configuração remota com a capacidade de alterar manualmente os valores, ou fazê-lo sob controle do programa, e também informar sobre o estado do fornecimento de energia e condições de alarme é mais do que uma conveniência. Reduz a necessidade de engenheiros para "tomar conta" da unidade em teste e procurar e correlacionar anomalias à medida que elas ocorrem. O uso disto em combinação com instrumentos como um registrador de dados ou um osciloscópio digital com memória profunda e gatilhos adequados torna prático executar testes de longo prazo e depois baixar os resultados para uma análise mais abrangente.

Endereçando o sensoriamento e a calibração remota

Todos os cabos de corrente e trilhos de força estão sujeitos a quedas de tensão (V) de resistência à corrente (IR). Um cálculo básico usando a lei de Ohm (V = IR) mostra a magnitude da questão. Como resultado, a tensão entregue na carga pode facilmente estar em qualquer lugar, desde alguns milivolts abaixo de seu valor nominal no fornecimento, até dezenas ou mesmo centenas de milivolts fora.

Uma maneira de lidar com esta queda é compensar aumentando a tensão nominal na PSU em uma quantidade igual à queda, mas isto é considerado uma má prática porque a queda de IV é uma função da corrente puxada e, portanto, flutuará. Como resultado, a tensão na carga pode na verdade ser muito alta em momentos em que a corrente e a queda de IV resultante são baixas.

Por esta razão, a solução usual é usar a detecção remota através de dois cabos adicionais em um arranjo de detecção Kelvin. Nesta configuração, a tensão real na carga é detectada e alimentada de volta à alimentação para ajustar dinamicamente a saída de modo que a tensão na carga tenha sempre o valor desejado. Esta solução amplamente utilizada é aceita como prática padrão e geralmente funciona bem, mas tem alguns inconvenientes.

Primeiro, há a necessidade dessas duas pistas extras, o que parece ser um assunto trivial, mas que aumenta a desordem da bancada. Segundo, nem sempre é fácil acrescentar dois contatos adicionais de baixa resistência na carga, especialmente quando os contatos de carga não foram projetados para acomodá-los. Qualquer pessoa que tenha tentado conectar o sentido #24 AWG leva a terminais de parafuso ou outros terminais projetados para o trilho de alimentação de corrente #14/12/10 AWG experimentou a dificuldade em primeira mão.

Finalmente, esses dois condutores extra-sentidos podem parecer apenas fios passivos, mas não são. Eletricamente, eles formam um loop de feedback para um amplificador que por acaso é uma fonte de alimentação. Sempre que há um loop de retorno, há a possibilidade de captação de ruído ou mesmo de oscilação devido ao loop sem restrições e geralmente mal definido. Assim, embora a detecção remota possa resolver o problema da queda de IV, também pode causar um problema mais insidioso de oscilação da saída de fornecimento. Uma filtragem adicional do tipo certo pode ser necessária, mas tal filtragem também pode alterar e degradar a resposta transitória dinâmica do fornecimento.

Sensoriamento remoto - sem chumbo indutor de queda de IV

Para evitar os problemas mecânicos, elétricos e até mesmo estéticos associados à detecção remota, a série PLS600 oferece uma abordagem alternativa utilizando uma tecnologia proprietária para compensar digitalmente estas resistências sem a necessidade de fios extras. Em resumo, o usuário invoca o modo de sensoriamento remoto a partir do painel frontal, curto-circuita os fios de carga na carga, e define a corrente da PSU para pelo menos tanto quanto é esperado que a carga irá puxar (Figura 4).

Figura 4: As PSUs XP Power PLS600 suportam um esquema único para a pré-compensação da queda de IV, eliminando a necessidade de cabos de sentido remoto extra. (Fonte de imagem: XP Power)

A PSU mede a corrente de saída e a queda total de tensão nos fios da carga, depois calcula a resistência dos fios da carga. A PSU pode então ajustar a tensão de saída em seus terminais de energia em tempo real para corrigir a queda nos cabos de carga. Como resultado, não há necessidade de pistas de sentido separadas na instalação propriamente dita.

As PSUs avançadas também oferecem flexibilidade de calibração

Embora as PSUs como as da série PLS600 normalmente não necessitem de calibração, pode haver circunstâncias em que o desempenho da tensão de saída da unidade precisa ser verificado e alguns ajustes de calibração são necessários. Para calibrar a tensão e corrente de saída e a tensão e corrente exibida, a série PLS600 requer um voltímetro calibrado e uma derivação de corrente calibrada.

A PSU é configurada para calibrar o modo e sua saída é deixada aberta apenas com o voltímetro acoplado. Em resumo, o valor exibido da PSU e o valor do voltímetro são combinados, e o botão do painel da PSU é pressionado para registrar os valores. Em seguida, o shunt de corrente é conectado através da saída e o voltímetro é conectado ao shunt. A saída da PSU é então ajustada até que o voltímetro externo leia exatamente a corrente exibida no mostrador da fonte de alimentação (Figura 5). Note que a voltagem exibida no medidor dependerá do valor do shunt de corrente utilizado, novamente pela lei de Ohm.

Figura 5: Um processo simples de duas etapas é usado para calibrar as PSUs XP Power: uma medição de tensão de saída em circuito aberto seguida por uma medição de tensão em uma derivação de carga calibrada. (Fonte de imagem: XP Power)

Como obter mais tensão ou corrente

Embora as PSUs da série PLS600 sejam oferecidas em combinações de classificações de tensão e corrente, sem dúvida haverá circunstâncias em que mais de um ou ambos os parâmetros serão necessários. A solução óbvia é obter um suprimento maior, com o lado negativo do custo adicional. Isto pode ser difícil de justificar, pois pode ser necessário apenas por um curto período de tempo. Uma alternativa é considerar colocar duas ou mais das PLS600 PSUs em série para mais tensão ou em paralelo para mais corrente.

Entretanto, obter esse aumento de tensão ou corrente não é apenas uma questão de conectar dois suprimentos em série ou paralelos. Quando são combinados de tal forma, uma de três coisas provavelmente acontecerá:

1. A configuração não fornecerá a saída necessária, é incontrolável e é provável que os suprimentos sejam danificados
2. A configuração funciona um pouco, mas não com o desempenho, precisão, consistência ou confiança necessários
3. Tudo funciona muito bem ou por sorte - geralmente não é uma boa tática de engenharia - ou por virtude de um projeto deliberado

Os resultados nº 1 e nº 2 são indesejáveis e inaceitáveis, embora existam formas de contornar suas deficiências até certo ponto, com alguns componentes externos cuidadosamente selecionados e classificados, tais como resistores de compartilhamento de corrente ou diodos de isolamento (Figura 6). Um esquema semelhante é usado para o emparelhamento de voltagem. Mesmo que funcione, o desempenho geral é limitado pelas especificações do menor dos dois suprimentos e desencontros entre os componentes adicionados e degradados por esses componentes também.

Figura 6: Componentes externos, tais como resistores de compartilhamento de corrente (esquerda) ou diodos de isolamento (direita) podem ser usados para colocar duas PSUs em paralelo para capacidade de corrente adicional, mas o desempenho é degradado ao fazer isso. (Fonte de imagem: XP Power)

Como resultado, a idéia geral é que causa muito menos problemas para usar uma única fonte de alimentação que é classificada para a aplicação em vez de duas ou mais em paralelo ou em série. Entretanto, esse resultado desejável #3 de "working fine" ocorrerá se os suprimentos forem especificamente projetados para operação em série ou paralela - como são as PSUs da família PLS600 series.

Para colocar PLS600 PSUs em paralelo ou em série, uma fonte de alimentação deve ser montada para ser o mestre e o restante das fontes de alimentação deve ser montado como escravos. Até dois suprimentos (e eles devem ser idênticos) podem ser conectados em série para aumento de tensão, enquanto até quatro unidades idênticas podem ser usadas em paralelo para aumento de corrente. A configuração e designação das unidades mestre e escrava é feita através do controle do painel frontal, e há alguns limites máximos que devem ser entendidos tanto por razões de segurança quanto de desempenho.

Rack e empilhamento por conveniência, disciplina, eficiência

A aparência visual das bancadas de trabalho dos engenheiros varia de razoavelmente arrumada a incrivelmente desarrumada. A realidade é que muitas bancadas começam bem, mas muitas vezes a bagunça se "acumula" e as PSUs simples ou múltiplas e suas derivações se somam a essa bagunça. Em outros casos, a PSU é parte de uma montagem de instrumentação que foi montada em rack por uma de várias razões:

• Faz parte de um projeto independente de ATE ou de avaliação de longo prazo
• Fornecer integridade do sistema e aumentar a confiabilidade, assegurando que tudo tenha seu lugar previsto e que todos os cabos estejam totalmente vestidos e tenham alívio de tensão
• Uma necessidade de transporte e eventual reinstalação

Por estas razões, a XP Power oferece o Kit de montagem em rack PLS600 para as PSUs PLS600 (Figura 7).

Figura 7: O XP Power PLS600 Rack Mount Kit facilita a instalação de uma única unidade PLS600 ou de um par de unidades lado a lado em um rack de equipamento de chassi padrão. (Fonte de imagem: XP Power)

Uma vez que todos os membros da série PLS600 têm o mesmo tamanho de gabinete, o kit funciona para todos eles. A instalação de uma PSU usando este kit é uma tarefa rápida e simples, e o kit permite que duas PSUs sejam montadas lado a lado.

Conclusão

As unidades de fornecimento de energia da bancada são muito diferentes na forma e função das unidades embutidas que têm poucos ou nenhuns controles ou ajustes do usuário. As PSUs de bancada ou "laboratório" são instrumentos essenciais para o desenvolvimento de protótipos, depuração e teste, assim como bancadas de teste fixas no local. Uma PSU de laboratório bem projetada e rica em recursos, como as da série XP Power PLS600, oferece tanto desempenho superior quanto as capacidades e funções adicionais necessárias para uso eficiente e flexível, variando do conveniente controle do painel frontal ao acesso em rede e programabilidade guiada por scripts.

Referências

1. XP Power AC-DC Fontes de alimentação série PLS600
2. XP Power User Manual PLS600 Series Fontes de alimentação DC programáveis
3. XP Power User Programming Manual PLS600 Series Fontes de alimentação DC programáveis