可编程直流电源/线性电源工作原理

　　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 是串行调整电源的简化电路图，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，采用这种类型调整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。

　　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，在控制电路与电源直接采用了光隔离。

　　图 2. 显示光隔离的电源框图

　　输出特性

　　在所有情况下，理想的恒压电源其输出阻抗应该为零。如图 3 所示，无论负载吸取的电流如何变化，电压都应始终保持为常数。

　　

　　图 4. 理想的恒流电源

　　在所有情况下，理想的恒流电源的输出阻抗应为无穷大。如图 4 所示，理想的恒流电源通过改变输出电压，来适应负载电阻的改变，其量值正好保持输出恒定的电流。

　　该电源的输出即可工作于恒压 (CV) 模式，也可工作在恒流 (CC) 模式。在某种不确定的条件下，电源可能既不在 CV，也不知或 CC 模式，而处于非调整状态。

　　图 5. 输出特性

　　图 5 显示的是该电源输出的工作模式。电源的工作点分别在线 RL = RC 的上方或下方。这条线表示的是负载恰好工作在设定的输出电压和输出电流位置。 当负载 RL> RC 时，这时负载的工作电流低于设置值的电，电压主导了输出，此时电源处于恒压模式。点1处的负载的电阻值要高于RC，输出电压即为设置的电压，而输出电流则要小于设置的电流。在这种情况下，电源为恒压模式，而设置电流则成为了限制电流。

　　当负载 RL

　　电源的非调整状态

　　如果电源进入既非 CV、 也非 CC 的工作模式，它就处于非调整状态。此种模式的输出是不可预期的。非调整模式的出现原因，可能是供电的交流电源电压低于规范值的结果。非调整条件可能在瞬间出现。例如，当编程输出非常高的电压跳变时，输出电容器或大的电容性负载会用最大的设定电流充电。在输出电压上升期间，电源即处于非调整模式。在电源从CV转换的CC状态的过程中，如果这时输出端短路，在转换过程中也可能产生短暂的非调整状态。

　　差模电压噪声和共模电流噪声 - 不需要的信号

　　理想电源应该有完美的 DC 输出，在通道直接没有串扰信号，也没有任何信号从地线串扰到输出端。但实际上，电源输出端上存在有限的噪声;在输出端与大地之间，由于阻抗不是无穷大，也存在一些漏电流。 前者称为差模(或串模)电压噪声，后者称为共模电流噪声。图 6 就是关于共模和差模噪声源的简图。

　　图 6. 共模和差模噪声简图

　　差模电压噪声由与电网频率相关的纹波以及某些随机噪声叠加构成的。在优高品质台式电源中，这两种噪声输出都很小。同时，为了减少周围环境引入噪声，需要使用双绞线与被测件连接，并且让电源远离大功率设备及其它噪声源，以保持低差模电压噪声。

　　对于一些以大地为参考灵敏电路，共模噪声可能会成为问题。当一个电路以大地为参考时， 与交流电网相关的很小的漏电流可能会从输出端流入大地。由于这个漏电流的存在，对地之间的任何阻抗都会产生一个压降，这个压降等于该电流乘以阻抗值。为了将它降到最低，可以将输出端直接接地。此外，任何对地阻抗都应有与之互补的对地阻抗值，从而抵消任何产生的电压。

　　如果这个电路不是以大地为参考，那么共模电源噪声通常就不会成为问题。

　　电源的输出会随负载的改变而改变。 当负载加大时，输出电流的上升，会引起输出电压的一点小压降，这是由于输出端的输出阻抗(R)造成的。而任何电源与负载的连接线都会存在电阻， 从而增加了电源输出到负载端的总电阻， 引起了负载端电压进一步的下降。您应该尽可能用大线径的电缆连接线减小这一压降。并同时在负载处使用远地感应线，用于补偿由于电源到负载端导线的电阻造成的电压降。

　　当负载出现迅速改变，如继电器触点闭合时，连接线和电源输出中的电感将使负载上出现电压尖峰。该尖峰是负载电流变化率的函数。如果在测试时有这样的情况出现，可把一个电容与一个低值电阻串联，然后再并联到电源上。在继电器闭合到负载的瞬间，这个 RC 网络就能有效抑制这些电压尖峰减。