適當選擇電源優(yōu)先級以管理過沖

大部分實驗室都把直流電源當作恒壓/恒流(CV/CC)電源使用;記住，電源是一個回饋系統(tǒng)，可以實現(xiàn)特定參數(shù)的調(diào)節(jié)。在恒壓(constant voltage，CV)條件下，電源的回饋控制回路可以調(diào)節(jié)電壓。在恒流(constant current，CC)條件下，電源的回饋控制回路可以調(diào)節(jié)電流。

所以，當你使用CV/CC電源時，意味著電源在CV模式下運作，會根據(jù)可程序化設定的電壓設置來調(diào)節(jié)恒壓，直到負載消耗足夠的電流，達到可程序化的電流設置;這種可程序設計的電流設置通常稱為電流限制(current limit)。

一旦所提供的電流達到電流設置，電源會從CV模式切換為CC模式。在CC模式下，電源根據(jù)可程序化設定的電流值調(diào)節(jié)恒定電流，電壓將開始下降，因為它已不再是被調(diào)節(jié)的參數(shù)。相反的，如果電源在CC模式下調(diào)節(jié)恒定電流，它會繼續(xù)如此運作，直到負載兩端電壓爬升到設定值;然后電源將進行模式切換，由CC模式轉(zhuǎn)換為CV模式。在CV模式下，電源將按照上述方式再次開始調(diào)壓。

這里解釋了一個常見問題：「電源的CV或CC切換按鈕在哪里?」答案是：「沒有這種東西!」因為電源模式是由負載電阻決定的;在高電阻或開路情況下，流經(jīng)電源的電流非常小、或者沒有電流經(jīng)過，電源為CV模式。與此類似，在低電阻或短路情況下，大量電流流經(jīng)電源，電源處于CC模式(圖1)。

圖1 直流電源的輸出特性顯示了驅(qū)動CV或CC模式的負載電阻(RLOAD)值。

何謂優(yōu)先模式?

我們介紹下一個概念：優(yōu)先模式(priority modes)。除了CV和CC模式以外，電源還可同時具有電壓優(yōu)先和電流優(yōu)先模式。優(yōu)先模式控制電源的特性，在電壓優(yōu)先模式下，電源的電壓控制回路具有優(yōu)先權。當今市場上的大多數(shù)電源供應器僅具有電壓優(yōu)先功能，不能提供電流回路優(yōu)先模式;事實上這種情況非常普遍，大多數(shù)工程師甚至從來沒有意識到還有優(yōu)先模式存在，他們只是期望自己的CV/CC電源具有電壓優(yōu)先模式。

需要注意的是，優(yōu)先模式與CV和CC無關，電壓優(yōu)先模式下的電源可以是CC或CV;同樣的，電流優(yōu)先模式下的電源也可以是CV或CC。優(yōu)先模式只是定義了電源從CV切換到CC、或從CC切換到CV的行為。

那么，優(yōu)先模式具備什么意義?以下將解釋各種優(yōu)先模式下的電源供應器特性。

電壓優(yōu)先模式

電壓優(yōu)先模式啟動時，初始電壓設為0V，電流則設為電流設定值;由于是在電壓優(yōu)先模式下，因此CV回路具有優(yōu)先權，電源以恒壓啟動，電壓為調(diào)節(jié)后的參數(shù)。電壓從0V開始，逐漸上升到CV回路調(diào)節(jié)下的電壓設定值，表現(xiàn)良好，具有快速的電壓上升時間和最小的過沖(overshoot)性能。

如果負載為高阻抗，那么RLOAD>(電壓設置/電流設置)，電源保持為CV，對電壓進行干凈的調(diào)節(jié)，電流將流入負載。隨著電壓達到設定電壓值，電壓過沖的情況很少或者從不出現(xiàn)，因為電源會對電壓進行干凈的調(diào)節(jié)。

性能導致CV到CC轉(zhuǎn)換中的電流過沖

如果為低阻抗負載，則RLOAD(電壓設置/電流設置)，電壓將以CV模式開始運作，不過低負載阻抗意味著電壓無法達到設置值。相反的，源電流會迅速到達電流設置值，轉(zhuǎn)換為CC，電壓將崩潰。在CV模式到CC模式的短暫轉(zhuǎn)換中，CC回路取得優(yōu)先權，其需要一些時間將電流調(diào)節(jié)為電流設置值;這會導致短暫的電流控制不穩(wěn)，從而進一步產(chǎn)生電流過沖(圖2)。

圖2 啟動時的電壓優(yōu)先模式特性能導致CV到CC轉(zhuǎn)換中的電流過沖。

簡言之，在電壓優(yōu)先模式下，電壓表現(xiàn)出良好的特性，只有極少量的過沖;但是從CV模式到CC模式的交叉轉(zhuǎn)換過程中，電流有可能過沖，因為此時電流調(diào)節(jié)沒有獲得優(yōu)先權。

電流優(yōu)先模式

現(xiàn)在我們看看電流優(yōu)先模式。在以電流優(yōu)先模式啟動時，電流最初設為0A，電壓設為電壓設置值。由于是在電流優(yōu)先模式下，所以CC回路具有優(yōu)先性，電源以CC模式啟動，電流為調(diào)節(jié)后的參數(shù)。電流從0A開始，然后在CC回路調(diào)節(jié)下逐漸上升至程序設計設定的電流值，以便得到干凈、良好的性能，同時擁有快速電流上升時間和最小過沖。

如果為低阻抗負載，則RLOAD(電壓設置 rload=>(電壓設置/電流設置)，電源將保持在CC模式下，但高負載阻抗意味著電源無法使足夠的電流流過負載。通過高負載阻抗的任何電流將在負載上產(chǎn)生高電壓，電源會迅速達到電壓設置值，然后轉(zhuǎn)換到CV。

在CC模式到CV模式短暫的轉(zhuǎn)換期中，CV回路取得優(yōu)先權，其有機會將電壓調(diào)節(jié)為電壓設置值。這會導致短暫的電壓控制不穩(wěn)，有可能產(chǎn)生電壓過沖(圖3)。

圖3 啟動時的電流優(yōu)先模式特性會導致CC到CV轉(zhuǎn)換時的電壓過沖。

簡言之，在電流優(yōu)先模式下，電流表現(xiàn)出良好的特性，只有極少量的過沖。但是，從CC模式向CV模式轉(zhuǎn)換時，電壓有可能過沖，因為此時電壓調(diào)節(jié)沒有獲得優(yōu)先權。

總結(jié)

雖然過去優(yōu)先模式都是過模擬設計實現(xiàn)，但現(xiàn)代的電源供應器都是采用數(shù)字訊號處理(DSP)、數(shù)字回饋回路、FPGA等技術的高度數(shù)字化控制;電源的特性，包括優(yōu)先模式，都可以透過數(shù)字技術實現(xiàn)，因此無論是電壓優(yōu)先還是電流優(yōu)先，電源的基本功能區(qū)塊沒有差別。換言之，無論處于哪種模式之下，電源都不會切換不同的電路或通過不同路徑傳輸訊號;數(shù)字控制系統(tǒng)命令電源采取不同的運作方式來實現(xiàn)電壓優(yōu)先或電流優(yōu)先。

因此，如果你顧慮過沖問題，可以選擇適當?shù)膬?yōu)先模式：在電壓過沖必須最小的情況下，例如偏置到低電壓處理器或FPGA核心時，應使用電壓優(yōu)先模式;如果需要盡量減少電流過沖，或者您的待測組件為低阻抗，例如在對電池充電或驅(qū)動包含大電容的系統(tǒng)時，應使用電流優(yōu)先模式。