程控電源技術(shù)和應(yīng)用指南

程控電源被大量用在各種電子產(chǎn)品的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，而且也更多地在向其它的行業(yè)拓展，就像我在上個(gè)月的一篇文章中與大家分享的一個(gè)案例，可編程電源被用在了傳統(tǒng)的電鍍行業(yè)，來大幅提升電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量和自動(dòng)化水平，降低成本。而且由于可編程電源的高效率， 可以大幅降低很多傳統(tǒng)行業(yè)的能耗水平。從這篇文章起，我將有一系列的文章，來和大家共同分享可編程電源的工作原理、應(yīng)用、保護(hù)特性、系統(tǒng)集成等等。今天就從最基本的開始，我們首先來介紹一下線性可編程電源工作原理

電源的基本設(shè)計(jì)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 是串行整流電源的簡(jiǎn)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(gè)反饋控制電路連續(xù)監(jiān)測(cè)電源的輸出，并調(diào)整串行阻抗，以穩(wěn)定一個(gè)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(gè)或多個(gè)功率晶體管構(gòu)成；因此，采用這種類型整流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(tái)上電源的最簡(jiǎn)單和有效的解決方案。

圖 1.串聯(lián)電源簡(jiǎn)化電路圖

圖 1 所示電源是個(gè)雙量程電源，允許電源在低電流時(shí)有較高的電壓，或在低電壓時(shí)有較高的電流。而對(duì)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(shí)，其輸出功率才會(huì)達(dá)到最高。 雙量程線性電源則能在兩個(gè)量程的最大電壓和電流輸出時(shí)，提供最大的輸出功率。在雙量程電源中， 在初級(jí)變壓器的次級(jí)線包中， 除了終端接線頭外， 在中間還有個(gè)抽頭， 預(yù)調(diào)整器前的開關(guān)可以在這兩個(gè)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(duì)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(shí)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(shì)，例如超低的紋波和噪聲、容許環(huán)境溫度變化和高可靠等。以安捷倫6612A （20V，2A， 40W）精密可編程電源為例，這個(gè)電源的噪聲最大峰峰值只有3mV, 相當(dāng)于最大輸出的0.01%， 而有效值僅為500uV。

在程控線性電源中，數(shù)字控制電路驅(qū)動(dòng)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(shí)向控制電路發(fā)送一個(gè)電壓，以表明它已經(jīng)按照要求輸出了電壓?？刂齐娐方邮諄磔敵龆说碾妷盒畔⒑螅言撔畔l(fā)送到顯示器上。同樣，控制電路還會(huì)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，在控制電路與電源之間采用了光隔離。

圖2.顯示光隔離的電源框圖

線性DC電源設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，性能也非常好。但主要的問題還是效率比較低，在全功率輸出時(shí)，效率一般達(dá)不到60%， 在更低的輸出電壓設(shè)置上，效率會(huì)進(jìn)一步下降。 而且隨著功率的升高，體積和重量也成正比上升。因此，在高功率的電源上，更多選用的是開關(guān)電源。

程控開關(guān)電源要要比線性電源復(fù)雜得多。 下圖是典型的開關(guān)電源工作原理圖。

1. 首先對(duì)220V/50Hz 的AC輸入，通過橋式整流器進(jìn)行整流
2. 儲(chǔ)能電容對(duì)整流后的波形進(jìn)行濾波，提供未穩(wěn)壓的高壓DC，為下一步DC到DC轉(zhuǎn)換電路供電。
3. 功率晶體管開關(guān)將直流轉(zhuǎn)換為20 kHz - 200kHz高壓高頻脈沖。
4. 根據(jù)輸出電壓的要求，選擇適當(dāng)線匝比率的高頻脈沖電壓變壓器
5. 這個(gè)變壓器將高頻脈沖高電壓整流成低電壓的脈沖。由于變壓器工作在高頻狀態(tài)下，通過變壓器鐵芯的能量與頻率成正比，因此，在開關(guān)電源中的變壓器體積可以遠(yuǎn)小于同等功率的線性電源的變壓器，從而大幅度降低了電源的體積和重量。
7. LC (電感器-電容器)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步對(duì)帶有紋波的直流進(jìn)行濾波，將其平均成為連續(xù)、穩(wěn)定的DC電壓輸出。
8. 與線性電源一樣，差分信號(hào)放大器比較DC輸出電壓與參考電壓的差值，將輸出電壓穩(wěn)定在期望的設(shè)定值上。
9. 調(diào)制器電路把差分信號(hào)放大器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻脈寬調(diào)制的波形，驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源晶體管。如果需要更多的輸出，就加大占空比；反之，就減小占空比。由于利用開關(guān)的占空比的不同控制輸出能量大小，因此，在開關(guān)上的損耗就會(huì)小得多。相比于線性電源，其節(jié)能效果是非常明顯的。

隨著開關(guān)電源的工作頻率越來越高，很多大功率的開關(guān)電源體積也能做得很小，例如安捷倫的N5700 750W/1500W系列可編程電源，只有1U的高度，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架寬度。而N8700 3.3KW/5KW 系列電源，也只有2U（接近10cm）的高度。即便同時(shí)并聯(lián)4臺(tái)5KW的電源，到達(dá)20KW的輸出功率，也只有不到0.5米的高度。相比于我們又是在很多工廠看到的裝在一個(gè)大機(jī)柜中的20KW電源，要小得很多。而且，由于這一系列電源的效率接近于90%， 功率因數(shù)更是達(dá)到了99%， 每年省下的電錢都可能是一大筆。

安捷倫N5700 和N8700 系列電源

在開關(guān)電源中，由于存在開關(guān)這樣的高頻器件，會(huì)產(chǎn)生比較高的紋波和噪聲。特別是由于大功率開關(guān)管往往固定在散熱器上，開關(guān)管與散熱器之間存在寄生電容，這樣，在開關(guān)管工作在高頻情況下時(shí)，會(huì)引起比較大的共模電流，從而可能會(huì)導(dǎo)致更大的噪聲。因此，對(duì)于普通的開關(guān)電源來說，無論是差模噪聲還是共模噪聲，都會(huì)高于線性電源一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

但隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，很多新的技術(shù)用在了高性能可編程開關(guān)電源中，使其噪聲大幅度下降。 安捷倫的有些高性能開關(guān)電源的噪聲指標(biāo)， 甚至已經(jīng)與精密的線性電源相當(dāng)。例如安捷倫的N6700系列模塊化電源系統(tǒng)，其密度約比同類的線性電源高出數(shù)倍。它擁有最高4個(gè)輸出，在1U高的封裝中提供總計(jì)高達(dá)1200瓦的輸出功率。 有些模塊的輸出噪聲完全與線性電源相當(dāng)。例如N6762A 50V/100W 精密模塊，在滿負(fù)載的輸出情況下， 其噪聲僅為4mVpp / 0.5mVrms。