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(wú)電子產(chǎn)品或其他類(lèi)似用途器件能夠達(dá)到電子產(chǎn)品教科書(shū)（其中的所有設(shè)計(jì)都是基于理想組件）中所述的性能水平。那么，真實(shí)電源與理論上的理想電源存在哪些不同呢？
在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)看看實(shí)際可編程直流電源的工作方式。電源的類(lèi)型眾多，具體功能也不盡相同?？删幊讨绷麟娫丛诟鱾€(gè)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(jìn)而滿足多樣化的應(yīng)用需求。實(shí)際上，看似簡(jiǎn)單的產(chǎn)品可能蘊(yùn)含復(fù)雜的技術(shù)。
01 電源工作方式概述
圖 1. 直流電源常見(jiàn)模塊圖
工作方式
圖 1 顯示了直流電源的基本電路模塊。變壓器將交流線路與電路的其他部分進(jìn)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(lái)自變壓器的交流電壓轉(zhuǎn)換為單極交流電壓。接下來(lái)，濾波模塊將這個(gè)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(jìn)一步濾波，使得輸出為恒定的直流電壓。
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(huì)產(chǎn)生噪聲。這些非理想特性讓電源無(wú)法成為絕對(duì)恒定的直流輸出源。
02 與理想輸出的偏差
直流電源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(gè)直流輸出的精度：輸出精度或顯示精度。制造商還可能指定一個(gè)溫度系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度超出電源校準(zhǔn)溫度范圍時(shí)，可將這個(gè)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(gè)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(lái)表示。為充分確定直流電源的輸出精度，應(yīng)將這個(gè)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(yùn)動(dòng)和碰撞，所有電子組件中都存在固有噪聲。這種噪聲被稱(chēng)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(huì)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(jì)技術(shù)的詳細(xì)信息。但無(wú)論設(shè)計(jì)有多好，直流電源的輸出上都將存在噪聲。
03 電源拓?fù)?/strong>
電源拓?fù)溆袃煞N類(lèi)型。電源設(shè)計(jì)可以采用線性拓?fù)浠蜷_(kāi)關(guān)模式拓?fù)?。它們的設(shè)計(jì)區(qū)別在于整流模塊和調(diào)壓模塊。
線性拓?fù)?/span>
在線性設(shè)計(jì)中，電路中持續(xù)存在電流。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)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%。
開(kāi)關(guān)拓?fù)?/span>
另一方面，開(kāi)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(kāi)關(guān)，在 kHz 頻率下接通和關(guān)斷電源。開(kāi)關(guān)模式電源的優(yōu)點(diǎn)在于，相比同等能力的線性電源，它們更小、更輕。開(kāi)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(kāi)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?xún)?nèi)的電源，但開(kāi)關(guān)模式電源大多用于設(shè)計(jì)功率超過(guò) 500 W、甚至千瓦級(jí)別的電源。對(duì)于千瓦級(jí)電源，變壓器也將非常大且非常重。
04 直流電源的類(lèi)型
圖 2. 直流電源的三種類(lèi)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?yàn)樨?fù)，但電流始終為正。第三類(lèi)電源的工作象限可為 I 象限和 II 象限。這類(lèi)電源被稱(chēng)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(lái)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。
05 控制直流輸出
我們來(lái)稍微多介紹一下調(diào)壓電路模塊。調(diào)壓器對(duì)輸出進(jìn)行濾波，以盡可能減少直流輸出的紋波，同時(shí)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(lái)建模，如下圖 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(lái)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）的電源輸出級(jí)
當(dāng)負(fù)載吸收的電流較小時(shí)，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(shí)，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：
如果直流電源的設(shè)計(jì)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(duì)負(fù)載處的較低電壓進(jìn)行修正。下圖 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(jí)
輸出級(jí)傳感電路具有高輸入阻抗，因此這個(gè)電路吸收的電流非常小。當(dāng)傳感線上的壓降微不足道時(shí)，電壓傳感電路測(cè)量負(fù)載處的實(shí)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(bǔ)償導(dǎo)線壓降。這一功能被稱(chēng)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。
06 輸出特性選項(xiàng)
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)。下圖 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(dòng)量程輸出。具有 I-V 自動(dòng)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(dòng)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(dòng)量程輸出特性的示例。自動(dòng)量程輸出特性的優(yōu)點(diǎn)包括：
圖 5. 矩形輸出特性與自動(dòng)量程輸出特性的比較
在紅色曲線上的所有點(diǎn)，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(diǎn)）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(lái)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(jí)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)?I-V 性能，從而有助于節(jié)省成本。
某些自動(dòng)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。EA Elektro-Automatik 電源具有“真正的自動(dòng)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(dòng)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(jí)別。
07 提升電源性能
電源可以具有其他高級(jí)功能。其中兩個(gè)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(jìn)行通訊。
雙向電源作為負(fù)載工作時(shí)，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(lèi)電源被稱(chēng)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(shí)現(xiàn)功能增強(qiáng)的同時(shí)，設(shè)計(jì)復(fù)雜度也更高。
08 應(yīng)用
供電
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(jì)工程師依托電源來(lái)開(kāi)發(fā)新電路和新產(chǎn)品。測(cè)試工程師依托電源來(lái)驗(yàn)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(jì)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(hào)可供選擇，它們的輸出范圍下至 100 W 上到 60 kW。這些型號(hào)既有供設(shè)計(jì)人員使用的臺(tái)式電源，也有供測(cè)試工程師使用的機(jī)架式電源，類(lèi)型豐富，不一而足。
充當(dāng)模擬源
除供電之外，設(shè)計(jì)和測(cè)試工程師通常還需要模擬太陽(yáng)能電池板、電池和燃料電池等產(chǎn)品。這時(shí)，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(yáng)能電池板。同時(shí)，此電源可用作負(fù)載，用于對(duì)已放電的電池或者作為電池、太陽(yáng)能電池或燃料電池供電對(duì)象的電路進(jìn)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(yàn)證產(chǎn)品能否耐受特定級(jí)別的應(yīng)力。函數(shù)發(fā)生器還可以模擬波形，以測(cè)試是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)，比如汽車(chē)和航電行業(yè)的那些標(biāo)準(zhǔn)。
-END-
直流電源是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試所需的重要設(shè)備。電子產(chǎn)品的豐富多樣使得電源類(lèi)型和電源功能也豐富多樣。
這里不一一贅述。
