直流電源並不一定永遠都是直流電源。如果所開發的系統設計是以直流電源來供電，務必注意直流電氣環境中存在的雜訊，以及各種其他干擾。本文將深入探討在100微秒(μm)與更長區間及10kHz或更小頻寬下，產生訊號突波、電壓突降、電壓突升、電壓突波(Inrush)等各種低頻干擾的考量因素。相較之下，雜訊可能是50/60Hz的低頻嗡鳴聲。如果要產生kHz到MHz，或是更高頻的GHz訊號時，雜訊也是一大挑戰。不過雜訊不在本文討論範圍內。
可能產生訊號干擾的因素非常多。訊號端的干擾可能來自於造成訊號源改變的事件，例如太陽能板上方飄過一片雲，或是汽車發電機以不同的速率運轉等環境狀態的改變，都可能造成訊號源輸出功率的改變。而負載端的干擾則可能是因為連接到直流電源的負載突然改變的關係，例如將新的負載(或裝置)插入直流電軌導致直流電軌電壓下拉，或是省電裝置開啟或關閉子系統，導致功率的上升或下降。
因此，在設計以直流電源供電的系統時，工程師必須考慮到系統運作時，直流干擾的影響。確實，將新裝置插入系統這種常見的直流干擾，不應該導致直流電軌下滑，使得位於相同直流電源匯流排上的其他裝置被鎖住、重啟、資料遺失或故障。有鑑於此，工程師必須模擬直流干擾並進行測試，以便針對使用直流電源供電的系統與裝置執行設計驗證，確保系統能夠正常運行。
直流電源易受各種干擾
許多系統與裝置都須倚賴直流偏壓或直流電軌來維持運作。如果直流電軌能夠維持所要求的直流操作電壓與操作餘裕，系統就能正常運作。以下將列舉一些直流電源系統的範例，並說明產生直流干擾的原因，以及所導致的惱人結果。
一般而言，車用電子是採用12伏特(V)的直流系統。然而，汽車的電壓匯流排中存在著許多偏移或干擾。例如，引擎速度改變會導致電壓波動，而啟動車窗馬達所造成的負載變化，則會降低12伏特直流匯流排的電壓。此外，發動汽車引擎時，12伏特直流匯流排會產生明顯的電流暫態。因此從引擎控制裝置、娛樂系統到儀表板等形形色色的車用電子裝置，都必須具有一定的暫態容忍度。如果每次一踩煞車或油門，汽車的引擎電腦立刻就被鎖死，這豈不是很不合理。
還有，如果使用直流配電系統為發光二極體(LED)照明供電，直流系統的干擾也會影響LED照明的可見光輸出，因為干擾與暫態都會讓LED照明出現惱人的閃爍。
當多個裝置或子系統全都透過一個共用的直流匯流排供電時，只要將裝置加入或移出匯流排，便會引發暫態，進而影響匯流排中所有裝置的運作。將通用序列匯流排(USB)裝置插入匯流排時，突波電流會瞬間超過額定的直流運作電流，甚至超過USB 5伏特線路的額定電流。特別是插入USB硬碟這類高功率裝置時，馬達轉動硬碟時抽出大量初始突波電流的情形更為嚴重。這個突波電流會降低USB 5伏特線路的電壓。如果電壓降得太低，還可能導致USB上的其他元件重新啟動。這種情況相當危險，很可能會造成資料遺失。
如同以上的USB範例所述，即使是不能增加或插入任何裝置的固定配置系統，啟動電流時也一樣會出問題。例如，現場可編程閘陣列(FPGA)啟動時會抽出大量的突波或啟動電流。因啟動裝置所產生的突波，可能比穩定狀態下的電流高出十倍，很容易將系統的直流電軌拉下，導致電壓瞬間下降。其他元件與子系統也會因而受到影響，使其被迫重新啟動或關機。使用較大的電源來供電，雖可以解決啟動與突波的問題，但這個方法不太實際，而且很可能要逐一測試各個子系統，以觀察它們對直流干擾引發之突波電流的容忍度。
產生直流干擾方便測試
在設計系統時，務必預留某種程度的直流電壓干擾容忍度，而須使用隨插即用裝置的系統，其容忍度必須更大。使用者將任何裝置插入系統時，當然預期這個裝置可以正常運作，而且不會衝擊到在相同直流匯流排上運作的其他裝置。所以，最保險的做法是建立直流匯流排穩定度與功率品質標準或設計規格，以便據此設計出支援指定偏差容忍度的裝置。在設計產品時，研發與設計驗證工程師需要一種可行的方法，以透過可控制而且可重複的干擾，來測試直流電源匯流排，確保完全符合標準或設計規格的要求。
為了測試產品設計對於直流電源匯流排之直流電壓干擾容忍度有多大，工程師須要使用特殊的電源供應器。這類電源供應器不僅要提供直流電源，還要能夠根據直流干擾形式進行程控設定，以便產生可隨時間變化之直流電壓暫態的非直流輸出。
有時，工程師試著建立可產生直流暫態的測試用電源供應器，但卻徒勞無功。另外，有些設計必須使用任意波形產生器進行測試，但多數任意波形產生器並無法供給足夠的電流給待測物，除非待測物只需很低的功率。也有工程師試圖加入後級功率放大器，以便增強任意波形產生器的電流輸出。這些功率放大器可能是客製化的設計，或是汽車音響放大器等現成的放大器，它們可以在充足的頻寬中產生高功率，但是這些「手工打造」的解決方案無法在大範圍的負載阻抗下維持穩定輸出，因此不能當作通用的解決方案。在此情況下，電源設計必須依據每一種負載狀況而加以調整。
在選擇一部可產生直流暫態的現成直流電源供應器時，應考慮其動態規格。首先，直流電源供應器的功率級(Power Stage)須具備足夠的速度來產生指定的電壓改變率。這項規格又稱為電源供應器的上升時間或程控設定反應時間。
其次，電源供應器需具備可程控性，讓工程師能夠快速改變輸出，以產生指定的干擾。其中一種方法是使用類比式電源供應器。在此測試架構中，任意波形產生器負責建立干擾形式，其輸出則可用來驅動當作功率放大器使用之電源供應器的類比輸入。
另一個方法是使用速度夠快的電源供應器來回應一連串的電腦指令，並且迅速重新設定並改變其輸出，以產生想要的干擾形式。第三種方法則是選擇一部內建排序功能的直流電源供應器，以便將直流暫態的波形下載到電源供應器，並執行序列以產生波形。
另一項重要考量因素是受電裝置的電容值，也就是電源供應器所輸出的負載。I=C×dv/dt這個公式定義了需要以多少電流來驅動受電裝置，一旦電壓改變率提高，驅動電流也要跟著提高。如果受電裝置的輸入電容很高，則需要非常大的電流才能快速改變待測物兩端的輸入電壓。如此一來，除了考慮穩定狀態時需要的直流電流外，還必須考慮暫態期間所需的電流，以及直流電源供應器的容量。
最後一項考量因素是電源供應器的降壓速度有多快，也就是電源供應器的下降時間。市面上許多電源供應器都可以快速升壓，卻無法快速降壓。換句話說，它們需要的下降時間比上升時間更長，因此很多電源供應器的上升時間標示為20毫秒(ms)，下降時間則為200毫秒。
假設待測物的輸入電容很大，一旦充電完畢，電容器會儲存電荷並維持電容兩端的穩定電壓。如果想要降低輸入待測物的電壓，則電容器必須放電以便讓電壓下降。某些電源供應器具備一種稱為降壓設定器或主動式下拉器的特殊電路，也就是將一個小型電子負載置入電源供應器，以便將電流抽出電容器。這類電源供應器的下降時間與上升時間完全相同或非常相近，因此可在上升或下降時提供快速的暫態反應。
慎選測試用電源供應器
探討過產生干擾的實際考量因素後，接著討論可行的現成電源供應器解決方案。有許多現成的電源供應器都可以提供產生干擾時所需的高電流，但是大部分高電流電源供應器的上升與下降時間很慢，並不適合用來產生干擾。
有些電源供應器廠商所生產的高速電源供應器具備快速的上升時間與下降程控器，某些機型甚至支援完整的兩象限運作模式，因此可快速降壓。這類電源供應器很適合用來產生干擾。但它們也必須能夠快速進行程控設定以便產生暫態，而且還須具備類比程控設定、透過電腦程式快速設定輸出，或是內建的輸出電壓序列等特性(表1)。
為加速研發，有些工程師轉而使用四象限的電源供應器或雙極放大電源供應器。這類產品有低功率(低於50瓦)、高準確度(有時稱為SMU)，以及體積較大的高功率(1,000瓦)等機型可供選擇。不論是哪一種機型，四象限電源供應器的售價，遠比功率相同的一般直流電源供應器高出許多。
此外，它們的速度雖然比一般直流電源供應器更快，但選擇四象限供應器時仍須考慮其輸出速度。由於目前可以選擇的四象限機種並不多，要找到符合速度、電壓與電流要求的四象限供應器不是那麼容易。而安捷倫(Agilent)N6705B直流電源分析儀是專為產生干擾而設計，其內建的電源供應器可產生高達600瓦的暫態，並具備不到1微秒的上升與下降時間，以及5kHz的頻寬，而其內建式任意波形產生器可輕鬆產生干擾，因此能讓工程師清楚看到電壓與電流的暫態。
(本文作者任職於安捷倫)