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电源的回馈控制回路的作用

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旋转音乐 发表于 昨天 15:35 | 只看该作者 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
大部分实验室都把直流电源当作恒压/恒流(CV/CC)电源使用;记住,电源是一个回馈系统,可以实现特定参数的调节。在恒压(constant voltage,CV)条件下,电源的回馈控制回路可以调节电压。在恒流(constant current,CC)条件下,电源的回馈控制回路可以调节电流。

所以,当你使用CV/CC电源时,意味着电源在CV模式下运作,会根据可程序化设定的电压设置来调节恒压,直到负载消耗足够的电流,达到可程序化的电流设置;这种可程序设计的电流设置通常称为电流限制(current limit)。


一旦所提供的电流达到电流设置,电源会从CV模式切换为CC模式。在CC模式下,电源根据可程序化设定的电流值调节恒定电流,电压将开始下降,因为它已不再是被调节的参数。相反的,如果电源在CC模式下调节恒定电流,它会继续如此运作,直到负载两端电压爬升到设定值;然后电源将进行模式切换,由CC模式转换为CV模式。在CV模式下,电源将按照上述方式再次开始调压。

这里解释了一个常见问题:「电源的CV或CC切换按钮在哪里?」答案是:「没有这种东西!」因为电源模式是由负载电阻决定的;在高电阻或开路情况下,流经电源的电流非常小、或者没有电流经过,电源为CV模式。与此类似,在低电阻或短路情况下,大量电流流经电源,电源处于CC模式(图1)。


图1 直流电源的输出特性显示了驱动CV或CC模式的负载电阻(RLOAD)值。

何谓优先模式?

我们介绍下一个概念:优先模式(priority modes)。除了CV和CC模式以外,电源还可同时具有电压优先和电流优先模式。优先模式控制电源的特性,在电压优先模式下,电源的电压控制回路具有优先权。当今市场上的大多数电源供应器仅具有电压优先功能,不能提供电流回路优先模式;事实上这种情况非常普遍,大多数工程师甚至从来没有意识到还有优先模式存在,他们只是期望自己的CV/CC电源具有电压优先模式。

需要注意的是,优先模式与CV和CC无关,电压优先模式下的电源可以是CC或CV;同样的,电流优先模式下的电源也可以是CV或CC。优先模式只是定义了电源从CV切换到CC、或从CC切换到CV的行为。

那么,优先模式具备什么意义?以下将解释各种优先模式下的电源供应器特性。

电压优先模式

电压优先模式启动时,初始电压设为0V,电流则设为电流设定值;由于是在电压优先模式下,因此CV回路具有优先权,电源以恒压启动,电压为调节后的参数。电压从0V开始,逐渐上升到CV回路调节下的电压设定值,表现良好,具有快速的电压上升时间和最小的过冲(overshoot)性能。

如果负载为高阻抗,那么RLOAD>(电压设置/电流设置),电源保持为CV,对电压进行干净的调节,电流将流入负载。随着电压达到设定电压值,电压过冲的情况很少或者从不出现,因为电源会对电压进行干净的调节。

性能导致CV到CC转换中的电流过冲

如果为低阻抗负载,则RLOAD(电压设置/电流设置),电压将以CV模式开始运作,不过低负载阻抗意味着电压无法达到设置值。相反的,源电流会迅速到达电流设置值,转换为CC,电压将崩溃。在CV模式到CC模式的短暂转换中,CC回路取得优先权,其需要一些时间将电流调节为电流设置值;这会导致短暂的电流控制不稳,从而进一步产生电流过冲(图2)。


图2 启动时的电压优先模式特性能导致CV到CC转换中的电流过冲。

简言之,在电压优先模式下,电压表现出良好的特性,只有极少量的过冲;但是从CV模式到CC模式的交叉转换过程中,电流有可能过冲,因为此时电流调节没有获得优先权。

电流优先模式

现在我们看看电流优先模式。在以电流优先模式启动时,电流最初设为0A,电压设为电压设置值。由于是在电流优先模式下,所以CC回路具有优先性,电源以CC模式启动,电流为调节后的参数。电流从0A开始,然后在CC回路调节下逐渐上升至程序设计设定的电流值,以便得到干净、良好的性能,同时拥有快速电流上升时间和最小过冲。

如果为低阻抗负载,则RLOAD(电压设置 rload=>(电压设置/电流设置),电源将保持在CC模式下,但高负载阻抗意味着电源无法使足够的电流流过负载。通过高负载阻抗的任何电流将在负载上产生高电压,电源会迅速达到电压设置值,然后转换到CV。

在CC模式到CV模式短暂的转换期中,CV回路取得优先权,其有机会将电压调节为电压设置值。这会导致短暂的电压控制不稳,有可能产生电压过冲(图3)。


图3 启动时的电流优先模式特性会导致CC到CV转换时的电压过冲。

简言之,在电流优先模式下,电流表现出良好的特性,只有极少量的过冲。但是,从CC模式向CV模式转换时,电压有可能过冲,因为此时电压调节没有获得优先权。

总结

虽然过去优先模式都是过模拟设计实现,但现代的电源供应器都是采用数字讯号处理(DSP)、数字回馈回路、FPGA等技术的高度数字化控制;电源的特性,包括优先模式,都可以透过数字技术实现,因此无论是电压优先还是电流优先,电源的基本功能区块没有差别。换言之,无论处于哪种模式之下,电源都不会切换不同的电路或通过不同路径传输讯号;数字控制系统命令电源采取不同的运作方式来实现电压优先或电流优先。

因此,如果你顾虑过冲问题,可以选择适当的优先模式:在电压过冲必须最小的情况下,例如偏置到低电压处理器或FPGA核心时,应使用电压优先模式;如果需要尽量减少电流过冲,或者您的待测组件为低阻抗,例如在对电池充电或驱动包含大电容的系统时,应使用电流优先模式。
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