DC電源電壓和電流限的設(shè)定

2004年5月B版

　　電源本身可能潛伏著危險。與無源測量裝置不同，DC電源在使用中如果不加約束的話，就會造成極大的危害。隨著時間發(fā)展，形成限制的手段也日臻精密。早期的電源依靠熔斷器和電路斷路器來限制短路所造成的損害。后來出現(xiàn)了限流器和過流保護器，這些器件通過電子方法限制電流和電壓的變化。設(shè)計者逐漸認識到：電源應(yīng)該成為帶有兩種控制回路及調(diào)節(jié)裝置的電流或者電壓穩(wěn)定器。這兩種模式一起使用，就可以形成一個封閉的邊界，其中的恒定電流限將在電壓模式下起到過流保護的作用，而恒定電壓限則在電流模式下起到過壓保護的作用。于是，就誕生了我們所熟悉的、工作范圍呈長方形的恒壓電流(CVCC)電源。本質(zhì)上，當前的正方形極限(rectangular-limit)電源處于電壓模式工作時，是通過電流控制來限制電流輸出的；而以電流模式工作時則提供同樣的電壓限制措施。熔斷器和電路斷路器現(xiàn)在為電子手段失效時起到后備的保護作用。

　　如果以縱軸來表示電壓，而橫軸表示電流的話，那么所有可能出現(xiàn)的負載特性都能用從原點出發(fā)的射線來描述。開路條件可以用與電壓軸(而非電流)重合的負載線來表示，而短路條件則可以用與電流軸重合的負載線來表示(額定電流)?！捌ヅ渥杩埂眲t是與代表最大電壓和最大電流的點相交的一條負載線(R=E/I)。

　　如果我們要確定電源的最大額定功率的話，那么它應(yīng)該是由最大電壓設(shè)定值和最大電流設(shè)定值所決定的。在傳統(tǒng)的恒壓恒流(CVCC)裝置中，這一最大功率在電壓－電流軸所決定的交叉點處獲得，即圖1中的點“B”。而不論負載電阻為任何其他值，電源所發(fā)出的功率都將小于最大額定功率。1個0V~10V、0A~100A的電源，其額定功率值能達到1000W。然而，它實際上只能在負載為0.1W的匹配值時才能發(fā)出如此大的功率。而負載量值為其他任何值時，所能獲得的最大功率將小于額定的1000W。一個0.5W的負載在最大電壓(10V)時電流為20A，故其從這一1000W的電源中可獲得的最大輸出功率為200W。所以，傳統(tǒng)的長方形極限邊界型電源很難使輸出功率達到其額定量值。

　　圖1 典型的CVCC長方形輸出極限邊界。負載是與代表恒壓輸出的直線(水平)或電流限軌跡(垂直)相交的徑向線。只有穿過兩條軌跡交點“B”的負載線可以獲得最大的額定功率。

　　圖2  一個具有3個工作區(qū)域的電源可以突破簡單的長方形電壓－電流工作范圍的限制。徑向線代表范圍從開路(垂直)到短路(水平)的負載。該電源能發(fā)出的電流(虛線)對應(yīng)于負載線與3條水平的恒壓線的交點處。人們已經(jīng)制造出這樣的電源設(shè)計。

　　圖3  傳統(tǒng)的電源將在I-2點處輸出最大的電壓V-2。在恒壓和恒流工作特性曲線間插入一個恒功率區(qū)域時，KLP可以在電壓V-1~V-3和電流I-1~I-3之間的區(qū)域內(nèi)提供全部的最大輸出。

　　圖4  Kepco電源公司的KLP系列電源

　　設(shè)計者經(jīng)過多年的實踐，已經(jīng)認識到長方形CVCC工作區(qū)的局限性，而且嘗試了多種折衷方法。解決方法之一如圖2所示，它是通過開關(guān)來選擇2~3種不同的長方形極限邊界條件，這樣可以在較低的電流設(shè)定值下輸出更高的電壓，并且在較低的電壓設(shè)定值下輸出更大的電流。這一做法使得通過單個電源與現(xiàn)實中的更多負載實現(xiàn)匹配成為現(xiàn)實。當負載1(圖2)達到最大功率點B-1時，電源可以向負載1提供額定的最大功率。類似的，當負載2和3分別到達點B-2和B-3時，它們將能從電源獲得最大的額定功率。

　　如果引入一系列電源，而這些電源的電流限是根據(jù)很寬的電壓設(shè)定值范圍經(jīng)過連續(xù)重新計算來設(shè)定的話，則其輸出功率將沿著一條代表恒定功率的雙曲線變化，從而形成無數(shù)個如此的CVCC長方形邊界。這一技術(shù)必須通過將功率計算融入到實際電源的控制回路來實現(xiàn)。就象大多數(shù)其它設(shè)備一樣，電源在20年前隨著數(shù)字化顯示、IEEE-488計量控制總線以及說者－聽者接口(talker-listener interface)的引入而實現(xiàn)了數(shù)字化(這一接口使得電源可以接收輸出設(shè)定指令，并向外部控制器報告電壓和電流的實際輸出信息)。不過，基本的控制機理仍然保持了“模擬反饋回路”的形式，通過將輸出電壓和電流與穩(wěn)定的基準值進行比較來自行修正誤差。其數(shù)字化的部分只是通過數(shù)模變換器設(shè)定電流和電壓值并通過模/數(shù)變換器對實際輸出進行測量和設(shè)定。

　　就目前的情況而言，在名為KLP的1200W電源新產(chǎn)品系列中，功率的計算已經(jīng)分散嵌入到內(nèi)部控制中，而且所占比重明顯加大。這使得電源能連續(xù)地根據(jù)一個很寬范圍內(nèi)的電壓設(shè)定值計算出新的電流限，以使得分布在很寬范圍內(nèi)的各種負載值能獲得額定的1200W功率。與大多數(shù)CVCC設(shè)計類似的是，KLP有兩個控制回路——一個專用于電流，另一個專用于電壓。不過，它們的交點并不是單個點，而是一系列間距很小的點，這些點連接起來構(gòu)成了一條代表功率不變的雙曲線。事實上，這形成了一條新的邊界——在代表恒壓工作特性的水平直線及代表恒流工作特性的垂直直線之間的恒定功率雙曲線。

　　對用戶來說，由于該電源能無縫地對其邊界進行調(diào)節(jié)，在其它極限值處繼續(xù)輸出全部1200W功率，故它看上去仿佛就是一個機箱包含了覆蓋整個范圍的各種電源。這意味著電源領(lǐng)域的新進展，它大大擴展了用戶的工作區(qū)域。

　　Kepco電源公司的KLP系列電源屬于1200W開關(guān)型設(shè)計，使用長方形功率極限形式，在水平的恒壓曲線和垂直的恒流曲線間通過雙曲線型功率極限曲線劃分出一個區(qū)域。該技術(shù)大大擴展了輸出工作范圍。

　　這些電源具備了現(xiàn)代開關(guān)電源設(shè)計通常所具備的功能特征，包括：寬范圍AC輸入，功率因數(shù)修正和內(nèi)置EMI濾波。不過，它的特性在于其雙曲線型的功率極限，即使用戶使用的負載變化范圍很寬，也都可以真正獲得1200W額定功率。■