適當(dāng)選擇電源優(yōu)先級(jí)以管理過沖

大部分實(shí)驗(yàn)室都把直流電源當(dāng)作恒壓/恒流(CV/CC)電源使用;記住，電源是一個(gè)回饋系統(tǒng)，可以實(shí)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(dāng)你使用CV/CC電源時(shí)，意味著電源在CV模式下運(yùn)作，會(huì)根據(jù)可程序化設(shè)定的電壓設(shè)置來調(diào)節(jié)恒壓，直到負(fù)載消耗足夠的電流，達(dá)到可程序化的電流設(shè)置;這種可程序設(shè)計(jì)的電流設(shè)置通常稱為電流限制(current limit)。

一旦所提供的電流達(dá)到電流設(shè)置，電源會(huì)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(shè)定的電流值調(diào)節(jié)恒定電流，電壓將開始下降，因?yàn)樗巡辉偈潜徽{(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(huì)繼續(xù)如此運(yùn)作，直到負(fù)載兩端電壓爬升到設(shè)定值;然后電源將進(jìn)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(gè)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?yàn)殡娫茨Ｊ绞怯韶?fù)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(dòng)CV或CC模式的負(fù)載電阻(RLOAD)值。

何謂優(yōu)先模式?

我們介紹下一個(gè)概念：優(yōu)先模式(priority modes)。除了CV和CC模式以外，電源還可同時(shí)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(quán)。當(dāng)今市場(chǎng)上的大多數(shù)電源供應(yīng)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(shí)上這種情況非常普遍，大多數(shù)工程師甚至從來沒有意識(shí)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(guān)，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(yīng)器特性。

電壓優(yōu)先模式

電壓優(yōu)先模式啟動(dòng)時(shí)，初始電壓設(shè)為0V，電流則設(shè)為電流設(shè)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(quán)，電源以恒壓?jiǎn)?dòng)，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(shè)定值，表現(xiàn)良好，具有快速的電壓上升時(shí)間和最小的過沖(overshoot)性能。

如果負(fù)載為高阻抗，那么RLOAD>(電壓設(shè)置/電流設(shè)置)，電源保持為CV，對(duì)電壓進(jìn)行干凈的調(diào)節(jié)，電流將流入負(fù)載。隨著電壓達(dá)到設(shè)定電壓值，電壓過沖的情況很少或者從不出現(xiàn)，因?yàn)殡娫磿?huì)對(duì)電壓進(jìn)行干凈的調(diào)節(jié)。

性能導(dǎo)致CV到CC轉(zhuǎn)換中的電流過沖

如果為低阻抗負(fù)載，則RLOAD(電壓設(shè)置/電流設(shè)置)，電壓將以CV模式開始運(yùn)作，不過低負(fù)載阻抗意味著電壓無法達(dá)到設(shè)置值。相反的，源電流會(huì)迅速到達(dá)電流設(shè)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(quán)，其需要一些時(shí)間將電流調(diào)節(jié)為電流設(shè)置值;這會(huì)導(dǎo)致短暫的電流控制不穩(wěn)，從而進(jìn)一步產(chǎn)生電流過沖(圖2)。

圖2 啟動(dòng)時(shí)的電壓優(yōu)先模式特性能導(dǎo)致CV到CC轉(zhuǎn)換中的電流過沖。

簡(jiǎn)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?yàn)榇藭r(shí)電流調(diào)節(jié)沒有獲得優(yōu)先權(quán)。

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(dòng)時(shí)，電流最初設(shè)為0A，電壓設(shè)為電壓設(shè)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(dòng)，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(shè)計(jì)設(shè)定的電流值，以便得到干凈、良好的性能，同時(shí)擁有快速電流上升時(shí)間和最小過沖。

如果為低阻抗負(fù)載，則RLOAD(電壓設(shè)置 rload=>(電壓設(shè)置/電流設(shè)置)，電源將保持在CC模式下，但高負(fù)載阻抗意味著電源無法使足夠的電流流過負(fù)載。通過高負(fù)載阻抗的任何電流將在負(fù)載上產(chǎn)生高電壓，電源會(huì)迅速達(dá)到電壓設(shè)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(quán)，其有機(jī)會(huì)將電壓調(diào)節(jié)為電壓設(shè)置值。這會(huì)導(dǎo)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(dòng)時(shí)的電流優(yōu)先模式特性會(huì)導(dǎo)致CC到CV轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓過沖。

簡(jiǎn)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(shí)，電壓有可能過沖，因?yàn)榇藭r(shí)電壓調(diào)節(jié)沒有獲得優(yōu)先權(quán)。

總結(jié)

雖然過去優(yōu)先模式都是過模擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)代的電源供應(yīng)器都是采用數(shù)字訊號(hào)處理(DSP)、數(shù)字回饋回路、FPGA等技術(shù)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(shù)實(shí)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(huì)切換不同的電路或通過不同路徑傳輸訊號(hào);數(shù)字控制系統(tǒng)命令電源采取不同的運(yùn)作方式來實(shí)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(dāng)?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(shí)，應(yīng)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(cè)組件為低阻抗，例如在對(duì)電池充電或驅(qū)動(dòng)包含大電容的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使用電流優(yōu)先模式。