電源類型、功能和應(yīng)用

理想的直流電源可不受負(fù)載電流影響，提供恒定的直流電壓輸出。但目前，尚無電子產(chǎn)品或其他類似用途器件能夠達(dá)到電子產(chǎn)品教科書（其中的所有設(shè)計都是基于理想組件）中所述的性能水平。那么，真實電源與理論上的理想電源存在哪些不同呢？在回答這個問題之前，我們先來看看實際可編程直流電源的工作方式。電源的類型眾多，具體功能也不盡相同。那么我們就來看看電源的類型和功能。可編程直流電源在眾多行業(yè)有著眾多的應(yīng)用方式。我們將探討電源的某些特性，看看這些特性如何賦予電源豐富的功能，進而滿足多樣化的應(yīng)用需求。事實上，看似簡單的產(chǎn)品實際上可能蘊含復(fù)雜的技術(shù)。

電源工作方式概述 

變壓器將交流線路與電路的其他部分進行電隔離。變壓器還根據(jù)所需要的并且電源預(yù)期擁有的最大直流輸出電壓，調(diào)低或調(diào)高交流線路的電壓。整流電路模塊將來自變壓器的交流電壓轉(zhuǎn)換為單極交流電壓。接下來，濾波模塊將這個單極交流電壓轉(zhuǎn)換為具有紋波效應(yīng)的瑕疵直流電壓。調(diào)壓器將輸出電壓調(diào)整到所需水平，并執(zhí)行進一步濾波，使得輸出為恒定的直流電壓。

圖1為直流電源常見模塊圖

這些電路模塊包含許多組件，但它們均不是理想組件。電容器和電感器具有寄生電阻、寄生電容（電感器中）和寄生電感（電容器中）。晶體管和二極管具有 I-V 特性，可隨溫度變化而變化。所有組件的參數(shù)值都存在一定容差，且它們都要消耗電源、具有功率限制且會產(chǎn)生噪聲。這些非理想特性讓電源無法成為絕對恒定的直流輸出源。

與理想輸出的偏差

直流電源輸出所提供的輸出并不始終是用戶編程的輸出。制造商將基于組件容差，定義某個直流輸出精度、輸出精度或顯示精度。制造商還可能指定一個溫度系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度超出電源校準(zhǔn)溫度范圍時，可將這個溫度系數(shù)加到輸出容差。導(dǎo)致直流輸出跌至編程值以下的另一個原因是，在使用大電流負(fù)載的情況下，電源中各組件的內(nèi)部電阻所承受的電壓更大。制造商將這種效應(yīng)指定為負(fù)載調(diào)整率，以全電壓的百分比誤差來表示。為充分確定直流電源的輸出精度，應(yīng)將這個負(fù)載調(diào)整率誤差加到輸出精度。

直流電源的直流輸出上也將伴隨噪聲。由于金屬結(jié)構(gòu)物中的電子運動和電子碰撞，所有電子組件中都存在固有噪聲。這種噪聲被稱為約翰遜噪聲。受交流線路上的條件、環(huán)境電磁干擾 (EMI) 和接地線路上的雜散電流影響，在電源輸出中也會產(chǎn)生噪聲。跟其他電子儀器一樣，如要盡可能降低電源中的噪聲，需要掌握良好設(shè)計技術(shù)的詳細(xì)信息。但無論設(shè)計有多好，直流電源的輸出上都將存在噪聲。

電源拓?fù)?/span>

電源拓?fù)溆袃煞N類型。電源設(shè)計可以采用線性拓?fù)浠蜷_關(guān)模式拓?fù)?。它們的設(shè)計區(qū)別在于整流模塊和調(diào)壓模塊。在線性設(shè)計中，電路中持續(xù)存在電流。這些設(shè)計的優(yōu)點在于噪聲低、復(fù)雜度低，但效率不太高。線性電源的效率低于 50%。另一方面，開關(guān)模式電源的效率可以達(dá)到 90%，但它們的復(fù)雜度和輸出噪聲都要高得多。造成噪聲較高的原因是有源組件，即，晶體管，它們用作開關(guān)，在 kHz 頻率下接通和關(guān)斷電源。開關(guān)模式電源的優(yōu)點在于，相比同等能力的線性電源，它們更小、更輕。開關(guān)模式電源可以搭配重量更輕、尺寸更小的變壓器。此外，開關(guān)頻率越高，所有感性元件分量可以越小。

雖然這兩種拓?fù)涠歼m用于數(shù)百瓦以內(nèi)的電源，但開關(guān)模式電源大多用于設(shè)計功率超過 500 W、甚至千瓦級別的電源。對于千瓦級電源，變壓器也將非常大且非常重。

直流電源的類型

大多數(shù)電源都是單極設(shè)備，采用正極輸出。電壓和電流都為正。它們的工作象限僅是圖 2 中所示的 I 象限。電源也可以具有更復(fù)雜的電路以及更多的工作象限。雙極輸出電源的工作象限為 I 象限和 IV 象限。輸出電壓可以為正或為負(fù)，但電流始終為正。第三類電源的工作象限可為 I 象限和 II 象限。這類電源被稱為雙向電源。在 I 象限，電源為直流電壓源。在 II 象限，雙向電源具有正電壓、負(fù)電流。電源吸收電流，是作為電子負(fù)載來工作。因此，雙向電源兼具兩種設(shè)備（直流電源和直流電子負(fù)載）的性能。

圖2直流電源的3種類型

控制直流輸出

我們來稍微多介紹一下調(diào)壓電路模塊。調(diào)壓器對輸出進行濾波，以盡可能減少直流輸出的紋波，同時它還將輸出電壓保持在經(jīng)調(diào)整或編程的水平。我們可以將調(diào)壓電路作為反饋放大器來建模，如圖 3 所示。輸出電壓傳感電路監(jiān)視輸出電壓，并將其反饋給功率放大器。功率放大器的電壓輸出根據(jù)放大器輸入處的壓差的極性，來提高或降低自身的輸出。

圖3顯示了電壓控制（未顯示輸出濾波）的電源輸出線

當(dāng)負(fù)載吸收的電流較小時，只需監(jiān)視直流電源輸出端的電壓即可。在負(fù)載電流較小的情況下，導(dǎo)線上的壓降并不明顯。但在負(fù)載電流較大時，導(dǎo)線上的壓降可能較顯著，施加到負(fù)載的電壓將低于編程輸出電壓：

V負(fù)載 = V電源 – 2·V導(dǎo)線

如果直流電源的設(shè)計采用四線連接，其中，兩條導(dǎo)線用于將電源連接到負(fù)載，兩條導(dǎo)線用于傳感負(fù)載電壓，那么就可以針對負(fù)載處的較低電壓進行修正。圖 4 顯示了負(fù)載的 4 線連接。

圖4顯示了本地和遠(yuǎn)程傳感的輸出級

輸出級傳感電路具有高輸入阻抗，因此這個電路吸收的電流非常小。當(dāng)傳感線上的壓降微不足道時，電壓傳感電路測量負(fù)載處的實際電壓，并將該電壓反饋給電源的功率放大器。放大器將其輸出電壓提高兩倍導(dǎo)線電壓，以補償導(dǎo)線壓降。這一功能被稱為遠(yuǎn)程傳感，可確保負(fù)載處的輸出為所需電壓。在不使用 4 線連接的情況下，調(diào)壓器采用本地傳感，即，將輸出電壓保持為輸出端的電壓水平。使用 4 線連接可保證更大的負(fù)載電壓精度。

輸出特性選項

電源可以使用不同的方法向負(fù)載供電。典型電源將具有矩形 I-V 輸出特性。電源的輸出可為電壓值和電流值的任意組合，介于由最大額定電壓和最大額定電流界定的矩形范圍內(nèi)。圖 5 中的藍(lán)色粗線顯示了具有矩形 I-V 輸出特性的直流電源。第二種供電方法是自動量程輸出。具有 I-V 自動量程輸出特性的直流電源兼具矩形輸出和曲線輸出的特性。相比具有矩形輸出的同等能力電源，自動量程輸出特性可提供范圍更大的負(fù)載電流和輸出電壓。圖 5 中的黑色和紅色曲線是自動量程輸出特性的示例。自動量程輸出特性的優(yōu)點包括：

· 在紅色曲線上的所有點，均可提供全功率輸出。相比之下，具有矩形輸出的電源則只能在其最大電壓和電流下（藍(lán)色矩形的最右角點）提供全功率輸出。

· 在低于矩形輸出電源最大電壓的任意電壓下，提供的電流都大于具有矩形輸出的電源。

· 得益于更大的電流輸出和電壓，能夠以更大的靈活性來滿足更加多樣化的應(yīng)用需求。這樣，可能就不需要增設(shè)額外的電源，亦可滿足新應(yīng)用或升級應(yīng)用的需求。

· 采用較低功率的電源，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)與矩形電源相當(dāng)?shù)?nbsp;I-V 性能，從而有助于節(jié)省成本。

某些自動量程電源具有的曲線輸出特性，只能夠在有限的電壓范圍內(nèi)提供全功率輸出。Elektro Automatik (EA) 電源具有“真正的自動量程”輸出特性，電源能夠在上至最大額定電壓、下至該最大額定電壓的 33% 的范圍內(nèi)，提供全功率輸出。其他自動量程電源很難達(dá)到這樣的性能水平。這讓 EA 能夠從眾多同行中脫穎而出。

因此，電源的電力輸出方式可決定其性能級別。

圖5矩形輸出特性與自動量程輸出特性的比較

提升電源性能

電源可以具有其他高級功能。其中兩個例子便是波形生成和多種控制接口。電源可配有內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器，用于基于直流偏壓成波形。另外，電源還可以配有數(shù)字量和模擬量接口，用以連接 PC、PLC 和其他設(shè)備進行通訊。

雙向電源作為負(fù)載工作時，能將所吸收的能量轉(zhuǎn)化為交流電并以高達(dá) 96% 的效率回饋至交流電網(wǎng)。這類電源被稱為回饋式電源。

除提供準(zhǔn)確且接近純正的直流電壓之外，電源還可以具有更多如上文所述的功能。在實現(xiàn)功能增強的同時，設(shè)計復(fù)雜度也更高。

應(yīng)用

產(chǎn)品中包含電子元件的大多數(shù)行業(yè)都采用的是直流電源。設(shè)計工程師依托電源來開發(fā)新電路和新產(chǎn)品。測試工程師依托電源來驗證成品性能。在采用電子電路和組件的眾多行業(yè)中，設(shè)計需要滿足多種多樣的功率、電壓和電流要求。因此，有眾多的電源型號可供選擇，它們的輸出范圍下至 100 W 上到 60 kW。這些型號既有供設(shè)計人員使用的臺架式電源，也有供測試工程師使用的機架式電源，類型豐富，不一而足。

除供電之外，設(shè)計和測試工程師通常還需要模擬太陽能電池板、電池和燃料電池等產(chǎn)品。這時，內(nèi)置有函數(shù)發(fā)生器的雙向電源便能夠充當(dāng)模擬源，用于模擬電池、電池充電器、燃料電池或太陽能電池板。同時，此電源可用作負(fù)載，用于對已放電的電池或者作為電池、太陽能電池或燃料電池供電對象的電路進行模擬。

內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器可模擬直流電源線路上的噪聲和其他干擾，以驗證產(chǎn)品能否耐受特定級別的應(yīng)力。函數(shù)發(fā)生器還可以模擬波形，以測試是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)，比如汽車和航電行業(yè)的那些標(biāo)準(zhǔn)。

直流電源是電子產(chǎn)品設(shè)計和測試所需的重要設(shè)備。電子產(chǎn)品的豐富多樣使得電源類型和電源功能也豐富多樣。

這里不一一贅述。

電源的復(fù)雜度遠(yuǎn)高于電子產(chǎn)品教科書中所述的復(fù)雜度。它們的性能也肯定達(dá)不到教科書中所述的水平。通過介紹電源的工作方式和性能差異，我們希望您能夠?qū)μN含在產(chǎn)品內(nèi)部的、電子產(chǎn)品工程師所需的技術(shù)有更深層次的理解。