离奇上电故障

前些天遇到了一个奇特的案例， 包括用户的研发工程师、项目经理、老赤脚医生和几位高手绞尽脑汁、费尽周折。 结果让用户的研发人员和项目经理都心有余悸，赤脚医生也是长了一点学问。今天拿出来和大家一同分享。

有位用户，用我们的E3641A电源为被测件供电。 被测件不复杂，包括了单片机、电容和电阻等， 供电电压是25V， 稳定正常工作电流是50-55mA。用户通过GPIB接口对电源进行编程， 把电压设在25V， 并设置了100mA的限流，用于保护被测件。 这应该是一个非常简单的应用。只需要电源纯净度非常高，有足够的保护能力，而且需要通过计算机接口控制。

但就是这么简单一件事情，还是出了离奇的故事。测量时，为了防止被测件的损坏，用户把电源设定100mA 限流。 在开启电源输出之后， 有的时候是能稳定正常工作， 但有的时候，电流的显示非常不稳定， 从40-100mA 都会出现，而且被测件也无法正常启动。用户这时就很纳闷，也特别担心把被测件烧坏了。他开始怀疑是电源的电流测量出来问题。 于是，在电流回路中串入了一个34401A数字表测量电流，结果数字表的测量值与电源显示值一样，说明电源工作是正常的。 更让人匪夷所思的是，为了解决这个问题，用户换了一台其它厂家同级别的程控电源， 做了同样的设置， 竟然工作正常， 而且电流值与用户期待的是一样的！

用户首先怀疑我们的电源出了问题。 开始的时候，我们的确让我百思不得其解。同样的电压、同样的限流，就不明白为什么会出现不同的结果。这好像不符合欧姆定律和一般常识。通过检测，排除了电源本身的质量问题。再费尽周折，反复检查接线、检查接地等，还是没有发现症结所在。甚至我们还换了一台精度和速度更高、性能更好的系统电源，做了同样的设置， 用上去之后，发现问题甚至比E3641A更加严重，被测件基本上无法启动。折腾了好几次，设想了很多方案， 但问题没有解决。

后来，我请安捷伦的一位电源专家出马。他根据以往的经验，做出了一个大胆的推论：用户把电源的电流限定设低了。 被测件很可能在启动过程， 有超过100mA 的浪涌电流，而此时电源的电流被限定在了100mA， 在系统启动之前，电源启动了过流保护，使被测件无法正常启动。于是，我们尝试着把电流限定逐步提高， 提高到650mA后, 用户的系统居然正常了！但用户无论如何也不能相信，在他设计的产品，居然有高于正常电流十多倍的浪涌电流， 让众人更不可理解的是，另外一家的电源在设定100mA限流是，系统可以正常启动。 这两个结果是完全矛盾的。

为验证这个问题，我们使用N6705B直流电源分析仪， 配了一个高精度电源模块进行供电，并取消限流值，打开了N6705 的示波器功能， 捕捉了被测件的上电浪涌电流波形。 这个波形，还是让用户大吃一惊！如下图所示：
从N6705B的屏幕显示上可以明显看出， 产品在启动瞬间出现了一个明星的浪涌电流，峰值达到650mA，远远超出100mA的限流值，更是高过了50mA 正常工作电流的十多倍！浪涌电流持续时间约为800us，之后电流值恢复到52mA正常值。 用户看到这个现象非常惊讶，并承认产品设计存在这个未发现的重大缺陷。因为如此高的浪涌电流，有可能导致用户的整个系统故障。

进一步，我们在N6705B 上设置了100mA 的限流， 来模拟先前的上电故障。我们得到了以下这个测试结果：
由于100mA限流值起作用，抑制了启动过程中的浪涌电流。一旦产品需要的电流超过100mA时，会自动进入限流模式，将电流稳定在100mA以下，同时电压会随之下降，对被测件进行保护。但在此情况下，输出将不能满足客户被测件所需要的供电条件，导致客户的产品进入不稳定工作状态，消耗电流值呈现随机数值。 问题原因找到了， 但还有一个更大的疑惑， 为什么另外一家的程控电源也设定了100mA限流, 但系统可以工作呢？

这位专家解释说，这是由于不同性能的电源进入限流状态所需的时间不同。 为了保护被测件，一旦出现过流的情况，要求的电源会很快进入限流状态。 我们查到，根据过流程度不同，安捷伦E3641A进入限流的时间约为0.5ms – 1.5ms。而更高性能的，例如N6705B的高性能模块，在50uS – 1mS。 那个厂家的电源， 这个指标是10mS. 因此，遇到如此大的过流是， E3641A 和N6705B 在几十到几百微秒内就进入了限流状态，限制了启动时需要的浪涌电流。 而那家的电源进入限流状态需要的时间要长出10倍以上，在还没有进入限流时，被测件可以已经启动了。但这里潜在着巨大的危险， 长时间的过流可能会烧毁被测件。 这就像汽车的刹车系统，如果发现危险能在5米内停下来，相比于50米才能停下的汽车，你觉得哪个更安全呢？更快的保护启动时间意味对被测件更为安全， 特别当您在测量与黄金等重价格的原型机时，这个指标尤其重要，因为我们不希望过于迟钝的电源过流响应烧毁您数月的心血。

Agilent E3600 系列基础电源，<1.5ms 的保护响应时间

当然，如果您在利用电源给系统上电的时候，先要了解自己系统的在启动时最大浪涌电流是多少，以将电源的电流限定值设置在合适的值，即保证了系统能正常启动， 也保护系统不会因为过流造成损坏。