丨四象限功放电源

四象限功放电源用于模拟车辆的电池供电和和复杂供电失真。一个四象限源可以提供正负电压以及正负电流在任何组合，它在任何电压下都可以输出电流，还可以吸收从外部来源提供的电流。

四象限应用场景
· 第一象限（正电压、正电流）：在此模式下，作为正电源工作，输出正电压与正电流，为被测设备提供能量。广泛应用于各种需要恒压或恒流供电的测试场景，如器件、部件的测试。

· 第二象限（正电压、负电流）：处于此模式时，它转变为一种特殊的负载形态，即“吸收模式”。此时，设备能够接受外部设备提供的负电压，并主动吸收正向流入的电流。这种模式在电池放电测试、容性负载测试中应用广泛。

· 第三象限（负电压、负电流）：与第一象限相反，源表在此模式下输出负电压与负电流，同样作为电源使用，但能量流动方向与正电源相反。这种模式在特定应用场景下尤为重要，如负电压偏置电路的测试、反向电流特性的研究等。

· 第四象限（负电压、正电流）：与第二象限类似，但电压与电流的方向相反。在实际应用中较为少见，叠加交流纹波可能会出现这一应用场景。

丨直流电流和交流电流

为什么有的被试品在直流状态下电流很小，而在叠加交流模式下电流很大？


上图是一款试品做叠加交流测试的波形图，参数设置为：供电电压为11V，叠加交流幅度：4V Vpp，频率：10Hz~30kHz。图中粉色波形是电压波,绿色是电流波(电流波中的尖峰是由于试品中的电机突然启动导致)。
可以看到在输出直流电压时，电流几乎为零。随着交流频率增大，电流迅速增大。在1.5kHz附近电流达到极值后又开始下降。

丨电容特性

叠加交流时，负载电流增大是典型的容性负载特性。电容器的复阻抗为：

一个2200μF的电解电容，在1.5kHz时的阻抗大约是0.05Ω。

电解电容的ESR是其在叠加纹波测试时损坏的主要原因。

试品电源输入端的电容通常为电解电容。频率越高，电解电容容量越小，且因为寄生电感的缘故，大多数电解电容的复阻抗Z会在1.5kHz附近达到极小值。所以测试过程电流在1.5kHz达到极大值。

丨电感特性

叠加交流时，在频率升高时试品处的交流电压幅度会降低，这是由于测试线的电感带来的影响。


一根长L的单导线，半径是R，它的电感用L0表示的话那么L0=μ0×L×（In2L/R-0.75)/2π。真空磁导率μ0=4π10-7。

假设测试线长度为1m，半径为2mm=0.002m，则可算出导线的电感L0=1.2μH。正负端共两根导线。总电感为2.4μH。在50Hz频率下电感的阻抗  Z=2πfL=0.75mΩ。在25kHz频率下电感的阻抗  Z=2πfL=375mΩ。叠加的正弦波频率越高，测试线对的阻抗也就越大，和试品负载形成分压也就越大，所以高频段试品端测量到的交流幅度会变低。

丨叠加交流测试的变化

早期版本的ISO 16750-2标准，叠加交流测试项目，规定了电压幅度、起始频率、以及发生器内阻。从上面的幻灯片我们已知：在25kHz频率下测试线的阻抗  Z=375mΩ，而在50Hz频率下Z=0.75mΩ，仅是测试线的等效阻抗已经不能保证内阻在50~100mΩ之间。所以也不能保证加到试品处的交流幅度。

没有规定电流的限值，也没有闭环的需求，可能会导致不同测试设备带来的差异性。2台发生器，一台电流100A，一台30A。如果在某个频点，被试品的电流需要50A，这种情况下30A的发生器可能会过流限幅从而导致试验可比性差。如果不监测电压波和电流波就没办法判断问题点。

ISO 16750-2-2023标准叠加交流测试项目，规定了电压幅度、起始频率，没有要求发生器内阻，但规定了电流限值。这样可以有效地保证加到试品上的能量。

在距离试品<10cm处测试波形，排除了测试线带来的损耗。通过测量试品处波形，发生器补偿直到试品处参数达到要求。

丨交流幅频特性

在高频模式下，测试线的等效阻抗很高，如果试品是容性负载，分压很低，则发生器实际发出的纹波幅度要很高才能达到测试需求，发生器的实际输出可能会落到负压段，也就是可能会工作在第四象限。

某款发生器正弦波的幅度Vpp最高为10V(200kHz),按照2根1m的测试线计算，导线在200kHz的阻抗Zl=Z=2πfL=6.28*0.2*2.4=3Ω。极限峰值电流Ipp=Vpp/3=3.3A，远远达不到ISO 16750-2 2023的交流纹波测试的电流需求。


丨源阻抗


某些厂家的设备输出电流标定100A，源阻抗最大可达500mΩ。如果此阻抗是真实的，则电阻实际消耗的功率P=I*I*R=100*100*0.5=5000w。这么大的功率如果内置于设备，散热都很难做。这种应该是虚拟内阻。

虚拟内阻可以做到很大的设置范围，但虚拟内阻只适合静态响应需求。对于动态响应高的场合完全不适用，设置内阻的目的是动态的限流，而虚拟内阻无法满足这一需求。

如何验证内阻是否真实地：设定内阻后,不论带什么负载(电阻、电容、二极管、TVS管、各种组合)，输出分压和理论值一致，则是真实的内阻。

丨内阻测试

设置交流电压10V，外接纯电阻负载：输出波形分压比例符合理论值。


测试内阻是真实的还是虚拟的不应该用直流模式测试，而应该用交流模式测试。直流模式是静态，软件模拟很容易实现。


设置交流电压10V，外接10欧姆的电阻串二极管:内阻设置为4欧姆（尖峰是由切换内阻的继电器造成的）。

丨内阻验证案例 1

某国产设备，设定输出电压5V，内阻分别设为0.01和0.1欧姆空载和带5欧姆负载测试输出电压。用万用表测试空载电压为4.82V，带5欧姆负载，不论内阻选择多少，实测电压均为4.62V。按照1A电流计算，设备实际内阻约为0.2欧姆。内阻切换没有任何实际效果。此设备连虚拟的内阻都没有。

丨内阻验证案例 2

某款设备在直流状态下，用案例1的测试方式验证，内阻和设定值一致，于是用叠加交流的方式+容性负载验证。


叠加交流时带电容负载，看电压/电流幅度变化：

叠加Vpp为4V的正弦波，频率1kHz，带47μF的电解电容，电流峰峰值为1.26A。此时改变内阻，从0变到500mΩ，输出电压波和电流波均无任何变化，可以断定内阻只有直流状态下才有。


丨突然带载能力验证 1

某款设备，设定电压：0V升到10V，带0.5Ω负载，测试设备突然带载能力。实测电压波形和电流波形过冲严重，超过幅度的50%。这种过冲可能会导致试品损坏。


丨突然待在能力验证 2

某款设备，设定电压：0V过压至40V，带0.5Ω电阻作为负载。实测高压处波形有振荡，这种高频振荡可能会带来测试的不确定性。

丨带容性负载问题

某设备空载方波上升沿3μs左右，带5500μF电容后上升变为500μs左右，但波形过冲严重导致有负电流，大约1ms才能稳定下来。电压上升过程，导入恒流状态，且改变电流设定值不能改变输出电流，一直以最大电流恒流。最大电流就是30A，没有过流冲击的能力。改变内阻也不能改变输出电流的大小。

丨叠加交流带容性负载问题

交流50kHz, Vpp 2V，带10μF电容，电压波(粉色)畸形。


交流250kHz, Vpp 2V，带10μF电容，电压波(粉色)自激振荡。


丨瞬态电流案例

用一款电流30A的可编程电源给某个试品供电，电压14V，负载常态电流18A左右。试品的电机突然启动时瞬态电流44A，持续时间100ms左右，电源电压波动2V，导致试品报错。


丨瞬态（峰值）电流意义

上面两个表格是两个厂商的可编程电源的持续电流和瞬态电流参数，瞬态电流都是持续电流的3倍以上。瞬态电流的意义可以提供短时的大电流、保证电压不降，试品可以正常工作。

如何验证瞬态电流?可以接电阻负载测试。例如表格1中电源输出持续电流100A，峰值电流300A，可以设置一个10V~30V过压的波形，过压时间200ms，负载电阻0.1Ω。这样可以验证是不是可以3倍过流且时间能不能达到200ms。

丨冲击电流验证

用电阻作负载验证过流，电阻功率需要很大。也可以用电容作为负载验证电源是否可以输出这么大电流。


设定10V，带10000μf电容，按下test on，电流峰值160A(蓝色)。可以证明该电源短时电流达不到300A。