程控电源技术和应用指南

程控电源被大量用在各种电子产品的测试测量领域，而且也更多地在向其它的行业拓展，就像我在上个月的一篇文章中与大家分享的一个案例，可编程电源被用在了传统的电镀行业，来大幅提升电镀产品的质量和自动化水平，降低成本。而且由于可编程电源的高效率， 可以大幅降低很多传统行业的能耗水平。从这篇文章起，我将有一系列的文章，来和大家共同分享可编程电源的工作原理、应用、保护特性、系统集成等等。今天就从最基本的开始，我们首先来介绍一下线性可编程电源工作原理

电源的基本设计模型，包括了整流器和负载器件， 以及串联在一起的控制元件。 图 1 是串行整流电源的简化电路图， 它包括了作为电源开关的相位控制预调整器， 串联在一起的可变阻抗元件。该相位控制的预调整器通过保持串联元件上稳定的低压降， 把功耗减到了最小。一个反馈控制电路连续监测电源的输出，并调整串行阻抗，以稳定一个连续的输出电压。图 1 所示， 电源中的可变电阻串联器件， 实际上是由工作在线性模式下的一个或多个功率晶体管构成；因此，采用这种类型整流器的电源通常称为线性电源。线性电源有许多优点。凭借高稳定和低噪声的输出，成为研发工作台上电源的最简单和有效的解决方案。

图 1.  串联电源简化电路图

图 1 所示电源是个双量程电源，允许电源在低电流时有较高的电压，或在低电压时有较高的电流。而对于普通的单量程电源， 只有在其电压和电流输出都达到最大时，其输出功率才会达到最高。 双量程线性电源则能在两个量程的最大电压和电流输出时，提供最大的输出功率。在双量程电源中， 在初级变压器的次级线包中， 除了终端接线头外， 在中间还有个抽头， 预调整器前的开关可以在这两个输出接头直接切换，已决定后端输出的高电压、低电流模式，或者低电流、高电压模式。这种技术对降低串行器件功耗是非常有效的。

在性能方面，线性电源有极其良好的源和负载特性，能快速响应电网和负载的变化。因此它的电源调整率、负载调整率和瞬态恢复时间等指标， 优于绝大多数的开关电源。线性电源还有很多其它优势，例如超低的纹波和噪声、容许环境温度变化和高可靠等。以安捷伦6612A （20V，2A， 40W）精密可编程电源为例，这个电源的噪声最大峰峰值只有3mV, 相当于最大输出的0.01%， 而有效值仅为500uV。

在程控线性电源中，数字控制电路驱动DAC的输出控制电平，以成正比地控制电源的编程电压值。 电源输出端同时向控制电路发送一个电压，以表明它已经按照要求输出了电压。控制电路接收来输出端的电压信息后，把该信息发送到显示器上。同样，控制电路还会把电源的输入和输出状况， 通过 GPIB、RS-232、USB 或 LAN 等PC接口， 告诉其它设备。 这些PC接口直接接地，而且，在控制电路与电源之间采用了光隔离。

图2.  显示光隔离的电源框图

线性DC电源设计已经非常成熟，性能也非常好。但主要的问题还是效率比较低，在全功率输出时，效率一般达不到60%， 在更低的输出电压设置上，效率会进一步下降。 而且随着功率的升高，体积和重量也成正比上升。因此，在高功率的电源上，更多选用的是开关电源。

程控开关电源要要比线性电源复杂得多。 下图是典型的开关电源工作原理图。

1. 首先对220V/50Hz 的AC输入，通过桥式整流器进行整流
2. 储能电容对整流后的波形进行滤波，提供未稳压的高压DC，为下一步DC到DC转换电路供电。
3. 功率晶体管开关将直流转换为20 kHz - 200kHz高压高频脉冲。
4. 根据输出电压的要求，选择适当线匝比率的高频脉冲电压变压器
5. 这个变压器将高频脉冲高电压整流成低电压的脉冲。由于变压器工作在高频状态下，通过变压器铁芯的能量与频率成正比，因此，在开关电源中的变压器体积可以远小于同等功率的线性电源的变压器，从而大幅度降低了电源的体积和重量。
7. LC (电感器-电容器)网络进一步对带有纹波的直流进行滤波，将其平均成为连续、稳定的DC电压输出。
8. 与线性电源一样，差分信号放大器比较DC输出电压与参考电压的差值，将输出电压稳定在期望的设定值上。
9. 调制器电路把差分信号放大器的信号转换成高频脉宽调制的波形，驱动开关电源晶体管。如果需要更多的输出，就加大占空比；反之，就减小占空比。由于利用开关的占空比的不同控制输出能量大小，因此，在开关上的损耗就会小得多。相比于线性电源，其节能效果是非常明显的。

随着开关电源的工作频率越来越高，很多大功率的开关电源体积也能做得很小，例如安捷伦的N5700 750W/1500W系列可编程电源，只有1U的高度，标准机架宽度。而N8700 3.3KW/5KW 系列电源，也只有2U（接近10cm）的高度。即便同时并联4台5KW的电源，到达20KW的输出功率，也只有不到0.5米的高度。相比于我们又是在很多工厂看到的装在一个大机柜中的20KW电源，要小得很多。而且，由于这一系列电源的效率接近于90%， 功率因数更是达到了99%， 每年省下的电钱都可能是一大笔。

安捷伦N5700 和N8700 系列电源

在开关电源中，由于存在开关这样的高频器件，会产生比较高的纹波和噪声。特别是由于大功率开关管往往固定在散热器上，开关管与散热器之间存在寄生电容，这样，在开关管工作在高频情况下时，会引起比较大的共模电流，从而可能会导致更大的噪声。因此，对于普通的开关电源来说，无论是差模噪声还是共模噪声，都会高于线性电源一个数量级以上。

但随着开关电源技术的发展，很多新的技术用在了高性能可编程开关电源中，使其噪声大幅度下降。 安捷伦的有些高性能开关电源的噪声指标， 甚至已经与精密的线性电源相当。例如安捷伦的N6700系列模块化电源系统，其密度约比同类的线性电源高出数倍。它拥有最高4个输出，在1U高的封装中提供总计高达1200瓦的输出功率。 有些模块的输出噪声完全与线性电源相当。例如N6762A 50V/100W 精密模块，在满负载的输出情况下， 其噪声仅为4mVpp / 0.5mVrms。