程控電源技術和應用指南

程控電源被大量用在各種電子產品的測試測量領域，而且也更多地在向其它的行業(yè)拓展，就像我在上個月的一篇文章中與大家分享的一個案例，可編程電源被用在了傳統(tǒng)的電鍍行業(yè)，來大幅提升電鍍產品的質量和自動化水平，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、應用、保護特性、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

電源的基本設計模型，包括了整流器和負載器件， 以及串聯(lián)在一起的控制元件。 圖 1 是串行整流電源的簡化電路圖， 它包括了作為電源開關的相位控制預調整器， 串聯(lián)在一起的可變阻抗元件。該相位控制的預調整器通過保持串聯(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， 實際上是由工作在線性模式下的一個或多個功率晶體管構成；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。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到最大時，其輸出功率才會達到最高。 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， 預調整器前的開關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載特性，能快速響應電網和負載的變化。因此它的電源調整率、負載調整率和瞬態(tài)恢復時間等指標， 優(yōu)于絕大多數的開關電源。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。以安捷倫6612A （20V，2A， 40W）精密可編程電源為例，這個電源的噪聲最大峰峰值只有3mV, 相當于最大輸出的0.01%， 而有效值僅為500uV。

在程控線性電源中，數字控制電路驅動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，以表明它已經按照要求輸出了電壓?？刂齐娐方邮諄磔敵龆说碾妷盒畔⒑?，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電源設計已經非常成熟，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，效率一般達不到60%， 在更低的輸出電壓設置上，效率會進一步下降。 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，更多選用的是開關電源。

程控開關電源要要比線性電源復雜得多。 下圖是典型的開關電源工作原理圖。

1. 首先對220V/50Hz 的AC輸入，通過橋式整流器進行整流
2. 儲能電容對整流后的波形進行濾波，提供未穩(wěn)壓的高壓DC，為下一步DC到DC轉換電路供電。
3. 功率晶體管開關將直流轉換為20 kHz - 200kHz高壓高頻脈沖。
4. 根據輸出電壓的要求，選擇適當線匝比率的高頻脈沖電壓變壓器
5. 這個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，在開關電源中的變壓器體積可以遠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)網絡進一步對帶有紋波的直流進行濾波，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)定在期望的設定值上。
9. 調制器電路把差分信號放大器的信號轉換成高頻脈寬調制的波形，驅動開關電源晶體管。如果需要更多的輸出，就加大占空比；反之，就減小占空比。由于利用開關的占空比的不同控制輸出能量大小，因此，在開關上的損耗就會小得多。相比于線性電源，其節(jié)能效果是非常明顯的。

隨著開關電源的工作頻率越來越高，很多大功率的開關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，標準機架寬度。而N8700 3.3KW/5KW 系列電源，也只有2U（接近10cm）的高度。即便同時并聯(lián)4臺5KW的電源，到達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大機柜中的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%， 功率因數更是達到了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

在開關電源中，由于存在開關這樣的高頻器件，會產生比較高的紋波和噪聲。特別是由于大功率開關管往往固定在散熱器上，開關管與散熱器之間存在寄生電容，這樣，在開關管工作在高頻情況下時，會引起比較大的共模電流，從而可能會導致更大的噪聲。因此，對于普通的開關電源來說，無論是差模噪聲還是共模噪聲，都會高于線性電源一個數量級以上。

但隨著開關電源技術的發(fā)展，很多新的技術用在了高性能可編程開關電源中，使其噪聲大幅度下降。 安捷倫的有些高性能開關電源的噪聲指標， 甚至已經與精密的線性電源相當。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倍。它擁有最高4個輸出，在1U高的封裝中提供總計高達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。例如N6762A 50V/100W 精密模塊，在滿負載的輸出情況下， 其噪聲僅為4mVpp / 0.5mVrms。