技术漫谈

可编程直流电源如何工作

2023年3月31日 | 主题: 双向电源 可编程直流电源如何工作

电源类型、功能和应用

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,尚无电子产品或其他类似用途器件能够达到电子产品教科书(其中的所有设计都是基于理想组件)中所述的性能水平。那么,真实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,我们先来看看实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。事实上,看似简单的产品实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最大直流输出电压,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无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,需要掌握良好设计技术的详细信息。但无论设计有多好,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。电源设计可以采用线性拓扑或开关模式拓扑。它们的设计区别在于整流模块和调压模块。在线性设计中,电路中持续存在电流。这些设计的优点在于噪声低、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 kHz 频率下接通和关断电源。开关模式电源的优点在于,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设计功率超过 500 W、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。第三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。

双向直流电源图 2. 直流电源的三种类型

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。

可编程直流电源图 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

如果直流电源的设计采用四线连接,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。

直流电子负载图 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实际电压,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,介于由最大额定电压和最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优点包括:

  • 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最大电压和电流下(蓝色矩形的最右角点)提供全功率输出。
  • 在低于矩形输出电源最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,同样能够实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。Elektro Automatik (EA) 电源具有“真正的自动量程”输出特性,电源能够在上至最大额定电压、下至该最大额定电压的 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。

自动量程电源图 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网。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。在实现功能增强的同时,设计复杂度也更高。

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。设计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,设计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 100 W 上到 60 kW。这些型号既有供设计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,设计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设计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 www.elektroautomatik.cn

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