洞察可编程直流电源如何工作

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理想的直流电源可不受负载电流影响，提供恒定的直流电压输出。但目前，尚电子产品或其他类似用途器件能够达到电子产品教科书（其中的所有图片都是基于理想组件）中所述的性能水平。那么，真电源与理论上的理想电源存在哪些不同呢在回答这个问题之前，我们先来看看际可编程直流电源的工作方式。电源的类型众多，具体功能也不尽相同。那么我们就来看看电源的类型和功能。可编程直流电源在众多行业有着众多的应用方式。我们将探讨电源的某些特性，看看这些特性如何赋予电源丰富的功能，进而满足多样化的应用需求。事上，看似简单的产品际上可能蕴含复杂的技术。


电源工作方式概述
图1显示了直流电源的基本电路模块。变压器将交流线路与电路的其他部分进行电隔离。变压器还根据所需要的并且电源预期拥有的比较大直流输出电压，调低或调高交流线路的电压。整流电路模块将来自变压器的交流电压转换为单极交流电压。接下来，滤波模块将这个单极交流电压转换为具有纹波效应的瑕疵直流电压。调压器将输出电压调整到所需水平，并执行进一步滤波，使得输出为恒定的直流电压。


这些电路模块包含许多组件，但它们均不是理想组件。电容器和电感器具有寄生电阻、寄生电容（电感器中）和寄生电感（电容器中）。晶体管和二极管具有I-V特性，可随温度变化而变化。所有组件的参数值都存在一定容差，且它们都要消耗电源、具有功率限制且会产生噪声。这些非理想特性让电源法成为绝对恒定的直流输出源。


图1直流电源常见模块图
与理想输出的偏差
直流电源输出所提供的输出并不始终是用户编程的输出。制造商将基于组件容差，定义某个直流输出精度、输出精度或显示精度。制造商还可能指定一个温度系数，当环境温度超出电源校准温度范围时，可将这个温度系数加到输出容差。导致直流输出跌至编程值以下的另一个原因是，在使用大电流负载的情况下，电源中各组件的内部电阻所承受的电压更大。制造商将这种效应指定为负载调整率，以全电压的百分比误差来表示。为充分确定直流电源的输出精度，应将这个负载调整率误差加到输出精度。


直流电源的直流输出上也将伴随噪声。由于金属结构物中的电子运动和电子碰撞，所有电子组件中都存在固有噪声。这种噪声被称为约翰逊噪声。受交流线路上的条件、环境电磁干扰(EMI和接地线路上的杂散电流影响，在电源输出中也会产生噪声。跟其他电子仪器一样，如要尽可能降低电源中的噪声，需要掌握良好图片技术的详细信息。但论图片有多好，直流电源的输出上都将存在噪声。


电源拓扑
电源拓扑有两种类型。电源图片可以采用线性拓扑或开关模式拓扑。它们的图片区别在于整流模块和调压模块。在线性图片中，电路中持续存在电流。这些图片的点在于噪声低、复杂度低，但效率不太高。线性电源的效率低于50%。另一方面，开关模式电源的效率可以达到90%，但它们的复杂度和输出噪声都要高得多。造成噪声较高的原因是有源组件，即，晶体管，它们用作开关，在H频率下接通和关断电源。开关模式电源的点在于，相比同等能力的线性电源，它们更小、更轻。开关模式电源可以搭配重量更轻、尺寸更小的变压器。此外，开关频率越高，所有感性元件分量可以越小。


虽然这两种拓扑都适用于数百瓦以内的电源，但开关模式电源大多用于图片功率超过500W、甚至千瓦级别的电源。对于千瓦级电源，变压器也将非常大且非常重。


直流电源的类型
大多数电源都是单极设备，采用正极输出。电压和电流都为正。它们的工作象限仅是图2中所示的I象限。电源也可以具有更复杂的电路以及更多的工作象限。双极输出电源的工作象限为I象限和IV象限。输出电压可以为正或为负，但电流始终为正。第类电源的工作象限可为I象限和II象限。这类电源被称为双向电源。在I象限，电源为直流电压源。在II象限，双向电源具有正电压、负电流。电源吸收电流，是作为电子负载来工作。因此，双向电源兼具两种设备（直流电源和直流电子负载）的性能。


图2直流电源的种类型
控制直流输出
我们来稍微多介绍一下调压电路模块。调压器对输出进行滤波，以尽可能减少直流输出的纹波，同时它还将输出电压保持在经调整或编程的水平。我们可以将调压电路作为反馈放大器来建模，如图3所示。输出电压传感电路监视输出电压，并将其反馈给功率放大器。功率放大器的电压输出根据放大器输入处的压差的极性，来提高或降低自身的输出。


图3显示了电压控制（未显示输出滤波）的电源输出级
当负载吸收的电流较小时，只需监视直流电源输出端的电压即可。在负载电流较小的情况下，导线上的压降并不明显。但在负载电流较大时，导线上的压降可能较显著，施加到负载的电压将低于编程输出电压：


V负载?=V电源?–2·V导线


如果直流电源的图片采用四线连接，其中，两条导线用于将电源连接到负载，两条导线用于传感负载电压，那么就可以针对负载处的较低电压进行修正。图4显示了负载的4线连接。


图4显示了本地和远程传感的输出级
输出级传感电路具有高输入阻抗，因此这个电路吸收的电流非常小。当传感线上的压降微不足道时，电压传感电路测量负载处的际电压，并将该电压反馈给电源的功率放大器。放大器将其输出电压提高两倍导线电压，以补偿导线压降。这一功能被称为远程传感，可确保负载处的输出为所需电压。在不使用4线连接的情况下，调压器采用本地传感，即，将输出电压保持为输出端的电压水平。使用4线连接可保证更大的负载电压精度。


输出特性选项
电源可以使用不同的方法向负载供电。典型电源将具有矩形I-V输出特性。电源的输出可为电压值和电流值的任意组合，介于由比较大额定电压和比较大额定电流界定的矩形范围内。图5中的蓝色粗线显示了具有矩形I-V输出特性的直流电源。第二种供电方法是自动量程输出。具有I-V自动量程输出特性的直流电源兼具矩形输出和曲线输出的特性。相比具有矩形输出的同等能力电源，自动量程输出特性可提供范围更大的负载电流和输出电压。图5中的黑色和红色曲线是自动量程输出特性的示例。自动量程输出特性的点包括：



在红色曲线上的所有点，均可提供全功率输出。相比之下，具有矩形输出的电源则只能在其比较大电压和电流下（蓝色矩形的比较右角点）提供全功率输出。
在低于矩形输出电源比较大电压的任意电压下，提供的电流都大于具有矩形输出的电源。
得益于更大的电流输出和电压，能够以更大的灵活性来满足更加多样化的应用需求。这样，可能就不需要增设额外的电源，亦可满足新应用或升级应用的需求。
采用较低功率的电源，同样能够现与矩形电源相当的I-V性能，从而有助于节省成本。

某些自动量程电源具有的曲线输出特性，只能够在有限的电压范围内提供全功率输出。EA(EA电源具有“真正的自动量程”输出特性，电源能够在上至比较大额定电压、下至该比较大额定电压的33%的范围内，提供全功率输出。其他自动量程电源很难达到这样的性能水平。这让EA能够从众多同行中脱颖而出。


因此，电源的电力输出方式可决定其性能级别。


图5矩形输出特性与自动量程输出特性的比较
提升电源性能
电源可以具有其他高级功能。其中两个例子便是波形生成和多种控制接口。电源可配有内置函数发生器，用于基于直流偏压成波形。另外，电源还可以配有数字量和模拟量接口，用以连接PC、PLC和其他设备进行通讯。


双向电源作为负载工作时，能将所吸收的能量转化为交流电并以高达96%的效率回馈至交流电。这类电源被称为回馈式电源。


除提供准确且接近纯正的直流电压之外，电源还可以具有更多如上文所述的功能。在现功能增强的同时，图片复杂度也更高。


应用
产品中包含电子元件的大多数行业都采用的是直流电源。图片工程师依托电源来开发新电路和新产品。测试工程师依托电源来验证成品性能。在采用电子电路和组件的众多行业中，图片需要满足多种多样的功率、电压和电流要求。因此，有众多的电源型号可供选择，它们的输出范围下至0W上到60W。这些型号既有供图片人员使用的台架式电源，也有供测试工程师使用的机架式电源，类型丰富，不一而足。


除供电之外，图片和测试工程师通常还需要模拟太阳能电池板、电池和燃料电池等产品。这时，内置有函数发生器的双向电源便能够充当模拟源，用于模拟电池、电池充电器、燃料电池或太阳能电池板。同时，此电源可用作负载，用于对已放电的电池或者作为电池、太阳能电池或燃料电池供电对象的电路进行模拟。


内置函数发生器可模拟直流电源线路上的噪声和其他干扰，以验证产品能否耐受特定级别的应力。函数发生器还可以模拟波形，以测试是否符合特定标准，比如汽车和航电行业的那些标准。


直流电源是电子产品图片和测试所需的重要设备。电子产品的丰富多样使得电源类型和电源功能也丰富多样。


这里不一一赘述。
电源的复杂度远高于电子产品教科书中所述的复杂度。它们的性能也肯定达不到教科书中所述的水平。通过介绍电源的工作方式和性能差异，我们希望您您能够对蕴含在产品内部的、电子产品工程师所需的技术有更深层次的理解。有关直流电源及其应用的更多信息，请访问?。