可編程直流電源的工作原理講解

電源的基本設計模型，包括了整流器和負載器件，以及串聯在一起的控制元件。圖 1 是串行調整電源的簡化電路圖，它包括了作為電源開關的相位控制預調整器，串聯在一起的可變阻抗元件。該相位控制的預調整器通過保持串聯元件上穩定的低壓降，把功耗減到了最小。一個反饋控制電路連續監測電源的輸出，并調整串行阻抗，以穩定一個連續的輸出電壓。

圖 1 所示， 電源中的可變電阻串聯器件， 實際上是由工作在線性模式下的一個或多個功率晶體管構成;因此，采用這種類型調整器的電源通常稱為線性電源。線性電源有許多優點。憑借高穩定和低噪聲的輸出，成為研發工作臺上電源的最簡單和有效的解決方案。

圖 1. 串聯電源簡化電路圖

圖 1 所示電源是個雙量程電源，允許電源在低電流時有較高的電壓，或在低電壓時有較高的電流。而對于普通的單量程電源， 只有在其電壓和電流輸出都達到最大時，其輸出功率才會達到最高。 雙量程線性電源則能在兩個量程的最大電壓和電流輸出時，提供最大的輸出功率。在雙量程電源中， 在初級變壓器的次級線包中，除了終端接線頭外， 在中間還有個抽頭， 預調整器前的開關可以在這兩個輸出接頭直接切換，已決定后端輸出的高電壓、低電流模式，或者低電流、高電壓模式。這種技術對降低串行器件功耗是非常有效的。

在性能方面，線性電源有極其良好的源和負載特性，能快速響應電網和負載的變化。因此它的電源調整率、負載調整率和瞬態恢復時間等指標， 優于絕大多數的開關電源。線性電源還有很多其它優勢，例如超低的紋波和噪聲、容許環境溫度變化和高可靠等。

在程控線性電源中，數字控制電路驅動 DAC 的輸出控制電平，以成正比地控制電源的編程電壓值。電源輸出端同時向控制電路發送一個電壓，以表明它已經按照要求輸出了電壓?？刂齐娐方邮諄磔敵龆说碾妷?a target="_blank">信息后，把該信息發送到顯示器上。同樣，控制電路還會把電源的輸入和輸出狀況， 通過 GPIB、RS-232、USB或 LAN 等 PC 接口， 告訴其它設備。 這些 PC 接口直接接地，而且，在控制電路與電源直接采用了光隔離。

圖 2. 顯示光隔離的電源框圖

輸出特性

在所有情況下，理想的恒壓電源其輸出阻抗應該為零。如圖 3 所示，無論負載吸取的電流如何變化，電壓都應始終保持為常數。

圖 3. 理想的恒壓電源

圖 4. 理想的恒流電源

在所有情況下，理想的恒流電源的輸出阻抗應為無窮大。如圖 4 所示，理想的恒流電源通過改變輸出電壓，來適應負載電阻的改變，其量值正好保持輸出恒定的電流。

該電源的輸出即可工作于恒壓 (CV) 模式，也可工作在恒流 (CC) 模式。在某種不確定的條件下，電源可能既不在 CV，也不知或 CC 模式，而處于非調整狀態。

圖 5. 輸出特性

圖 5 顯示的是該電源輸出的工作模式。電源的工作點分別在線 RL = RC 的上方或下方。這條線表示的是負載恰好工作在設定的輸出電壓和輸出電流位置。 當負載 RL> RC 時，這時負載的工作電流低于設置值的電，電壓主導了輸出，此時電源處于恒壓模式。點1處的負載的電阻值要高于RC，輸出電壓即為設置的電壓，而輸出電流則要小于設置的電流。在這種情況下，電源為恒壓模式，而設置電流則成為了限制電流。

當負載 RL

電源的非調整狀態

如果電源進入既非 CV、 也非 CC 的工作模式，它就處于非調整狀態。此種模式的輸出是不可預期的。非調整模式的出現原因，可能是供電的交流電源電壓低于規范值的結果。非調整條件可能在瞬間出現。例如，當編程輸出非常高的電壓跳變時，輸出電容器或大的電容性負載會用最大的設定電流充電。在輸出電壓上升期間，電源即處于非調整模式。在電源從CV轉換的CC狀態的過程中，如果這時輸出端短路，在轉換過程中也可能產生短暫的非調整狀態。

差模電壓噪聲和共模電流噪聲 - 不需要的信號

理想電源應該有完美的 DC 輸出，在通道直接沒有串擾信號，也沒有任何信號從地線串擾到輸出端。但實際上，電源輸出端上存在有限的噪聲;在輸出端與大地之間，由于阻抗不是無窮大，也存在一些漏電流。 前者稱為差模(或串模)電壓噪聲，后者稱為共模電流噪聲。圖 6 就是關于共模和差模噪聲源的簡圖。

圖 6. 共模和差模噪聲簡圖

差模電壓噪聲由與電網頻率相關的紋波以及某些隨機噪聲疊加構成的。在優高品質臺式電源中，這兩種噪聲輸出都很小。同時，為了減少周圍環境引入噪聲，需要使用雙絞線與被測件連接，并且讓電源遠離大功率設備及其它噪聲源，以保持低差模電壓噪聲。

對于一些以大地為參考靈敏電路，共模噪聲可能會成為問題。當一個電路以大地為參考時， 與交流電網相關的很小的漏電流可能會從輸出端流入大地。由于這個漏電流的存在，對地之間的任何阻抗都會產生一個壓降，這個壓降等于該電流乘以阻抗值。為了將它降到最低，可以將輸出端直接接地。此外，任何對地阻抗都應有與之互補的對地阻抗值，從而抵消任何產生的電壓。

如果這個電路不是以大地為參考，那么共模電源噪聲通常就不會成為問題。

電源的輸出會隨負載的改變而改變。 當負載加大時，輸出電流的上升，會引起輸出電壓的一點小壓降，這是由于輸出端的輸出阻抗(R)造成的。而任何電源與負載的連接線都會存在電阻， 從而增加了電源輸出到負載端的總電阻， 引起了負載端電壓進一步的下降。您應該盡可能用大線徑的電纜連接線減小這一壓降。并同時在負載處使用遠地感應線，用于補償由于電源到負載端導線的電阻造成的電壓降。

當負載出現迅速改變，如繼電器觸點閉合時，連接線和電源輸出中的電感將使負載上出現電壓尖峰。該尖峰是負載電流變化率的函數。如果在測試時有這樣的情況出現，可把一個電容與一個低值電阻串聯，然后再并聯到電源上。在繼電器閉合到負載的瞬間，這個 RC 網絡就能有效抑制這些電壓尖峰減。

審核編輯：湯梓紅