可編程直流電源/線性電源工作原理

　　電源的基本設(shè)計模型，包括了整流器和負(fù)載器件，以及串聯(lián)在一起的控制元件。圖 1 是串行調(diào)整電源的簡化電路圖，它包括了作為電源開關(guān)的相位控制預(yù)調(diào)整器，串聯(lián)在一起的可變阻抗元件。該相位控制的預(yù)調(diào)整器通過保持串聯(lián)元件上穩(wěn)定的低壓降，把功耗減到了最小。一個反饋控制電路連續(xù)監(jiān)測電源的輸出，并調(diào)整串行阻抗，以穩(wěn)定一個連續(xù)的輸出電壓。

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

　　圖 1. 串聯(lián)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(dá)到最大時，其輸出功率才會達(dá)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(yù)調(diào)整器前的開關(guān)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(shù)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(fù)載特性，能快速響應(yīng)電網(wǎng)和負(fù)載的變化。因此它的電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)恢復(fù)時間等指標(biāo)， 優(yōu)于絕大多數(shù)的開關(guān)電源。線性電源還有很多其它優(yōu)勢，例如超低的紋波和噪聲、容許環(huán)境溫度變化和高可靠等。

　　在程控線性電源中，數(shù)字控制電路驅(qū)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(fā)送一個電壓，以表明它已經(jīng)按照要求輸出了電壓。控制電路接收來輸出端的電壓信息后，把該信息發(fā)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(shè)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(yīng)該為零。如圖 3 所示，無論負(fù)載吸取的電流如何變化，電壓都應(yīng)始終保持為常數(shù)。

　　

　　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(yīng)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(yīng)負(fù)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(diào)整狀態(tài)。

　　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(diǎn)分別在線 RL = RC 的上方或下方。這條線表示的是負(fù)載恰好工作在設(shè)定的輸出電壓和輸出電流位置。 當(dāng)負(fù)載 RL> RC 時，這時負(fù)載的工作電流低于設(shè)置值的電，電壓主導(dǎo)了輸出，此時電源處于恒壓模式。點(diǎn)1處的負(fù)載的電阻值要高于RC，輸出電壓即為設(shè)置的電壓，而輸出電流則要小于設(shè)置的電流。在這種情況下，電源為恒壓模式，而設(shè)置電流則成為了限制電流。

　　當(dāng)負(fù)載 RL

　　電源的非調(diào)整狀態(tài)

　　如果電源進(jìn)入既非 CV、 也非 CC 的工作模式，它就處于非調(diào)整狀態(tài)。此種模式的輸出是不可預(yù)期的。非調(diào)整模式的出現(xiàn)原因，可能是供電的交流電源電壓低于規(guī)范值的結(jié)果。非調(diào)整條件可能在瞬間出現(xiàn)。例如，當(dāng)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(fù)載會用最大的設(shè)定電流充電。在輸出電壓上升期間，電源即處于非調(diào)整模式。在電源從CV轉(zhuǎn)換的CC狀態(tài)的過程中，如果這時輸出端短路，在轉(zhuǎn)換過程中也可能產(chǎn)生短暫的非調(diào)整狀態(tài)。

　　差模電壓噪聲和共模電流噪聲 - 不需要的信號

　　理想電源應(yīng)該有完美的 DC 輸出，在通道直接沒有串?dāng)_信號，也沒有任何信號從地線串?dāng)_到輸出端。但實(shí)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(guān)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(wǎng)頻率相關(guān)的紋波以及某些隨機(jī)噪聲疊加構(gòu)成的。在優(yōu)高品質(zhì)臺式電源中，這兩種噪聲輸出都很小。同時，為了減少周圍環(huán)境引入噪聲，需要使用雙絞線與被測件連接，并且讓電源遠(yuǎn)離大功率設(shè)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(dāng)一個電路以大地為參考時， 與交流電網(wǎng)相關(guān)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(chǎn)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(yīng)有與之互補(bǔ)的對地阻抗值，從而抵消任何產(chǎn)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(fù)載的改變而改變。 當(dāng)負(fù)載加大時，輸出電流的上升，會引起輸出電壓的一點(diǎn)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(fù)載的連接線都會存在電阻， 從而增加了電源輸出到負(fù)載端的總電阻， 引起了負(fù)載端電壓進(jìn)一步的下降。您應(yīng)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(fù)載處使用遠(yuǎn)地感應(yīng)線，用于補(bǔ)償由于電源到負(fù)載端導(dǎo)線的電阻造成的電壓降。

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