DC电源电压和电流限的设定

2004年5月B版

　　电源本身可能潜伏着危险。与无源测量装置不同，DC电源在使用中如果不加约束的话，就会造成极大的危害。随着时间发展，形成限制的手段也日臻精密。早期的电源依靠熔断器和电路断路器来限制短路所造成的损害。后来出现了限流器和过流保护器，这些器件通过电子方法限制电流和电压的变化。设计者逐渐认识到：电源应该成为带有两种控制回路及调节装置的电流或者电压稳定器。这两种模式一起使用，就可以形成一个封闭的边界，其中的恒定电流限将在电压模式下起到过流保护的作用，而恒定电压限则在电流模式下起到过压保护的作用。于是，就诞生了我们所熟悉的、工作范围呈长方形的恒压电流(CVCC)电源。本质上，当前的正方形极限(rectangular-limit)电源处于电压模式工作时，是通过电流控制来限制电流输出的；而以电流模式工作时则提供同样的电压限制措施。熔断器和电路断路器现在为电子手段失效时起到后备的保护作用。

　　如果以纵轴来表示电压，而横轴表示电流的话，那么所有可能出现的负载特性都能用从原点出发的射线来描述。开路条件可以用与电压轴(而非电流)重合的负载线来表示，而短路条件则可以用与电流轴重合的负载线来表示(额定电流)。“匹配阻抗”则是与代表最大电压和最大电流的点相交的一条负载线(R=E/I)。

　　如果我们要确定电源的最大额定功率的话，那么它应该是由最大电压设定值和最大电流设定值所决定的。在传统的恒压恒流(CVCC)装置中，这一最大功率在电压－电流轴所决定的交叉点处获得，即图1中的点“B”。而不论负载电阻为任何其他值，电源所发出的功率都将小于最大额定功率。1个0V~10V、0A~100A的电源，其额定功率值能达到1000W。然而，它实际上只能在负载为0.1W的匹配值时才能发出如此大的功率。而负载量值为其他任何值时，所能获得的最大功率将小于额定的1000W。一个0.5W的负载在最大电压(10V)时电流为20A，故其从这一1000W的电源中可获得的最大输出功率为200W。所以，传统的长方形极限边界型电源很难使输出功率达到其额定量值。

　　图1 典型的CVCC长方形输出极限边界。负载是与代表恒压输出的直线(水平)或电流限轨迹(垂直)相交的径向线。只有穿过两条轨迹交点“B”的负载线可以获得最大的额定功率。

　　图2  一个具有3个工作区域的电源可以突破简单的长方形电压－电流工作范围的限制。径向线代表范围从开路(垂直)到短路(水平)的负载。该电源能发出的电流(虚线)对应于负载线与3条水平的恒压线的交点处。人们已经制造出这样的电源设计。

　　图3  传统的电源将在I-2点处输出最大的电压V-2。在恒压和恒流工作特性曲线间插入一个恒功率区域时，KLP可以在电压V-1~V-3和电流I-1~I-3之间的区域内提供全部的最大输出。

　　图4  Kepco电源公司的KLP系列电源

　　设计者经过多年的实践，已经认识到长方形CVCC工作区的局限性，而且尝试了多种折衷方法。解决方法之一如图2所示，它是通过开关来选择2~3种不同的长方形极限边界条件，这样可以在较低的电流设定值下输出更高的电压，并且在较低的电压设定值下输出更大的电流。这一做法使得通过单个电源与现实中的更多负载实现匹配成为现实。当负载1(图2)达到最大功率点B-1时，电源可以向负载1提供额定的最大功率。类似的，当负载2和3分别到达点B-2和B-3时，它们将能从电源获得最大的额定功率。

　　如果引入一系列电源，而这些电源的电流限是根据很宽的电压设定值范围经过连续重新计算来设定的话，则其输出功率将沿着一条代表恒定功率的双曲线变化，从而形成无数个如此的CVCC长方形边界。这一技术必须通过将功率计算融入到实际电源的控制回路来实现。就象大多数其它设备一样，电源在20年前随着数字化显示、IEEE-488计量控制总线以及说者－听者接口(talker-listener interface)的引入而实现了数字化(这一接口使得电源可以接收输出设定指令，并向外部控制器报告电压和电流的实际输出信息)。不过，基本的控制机理仍然保持了“模拟反馈回路”的形式，通过将输出电压和电流与稳定的基准值进行比较来自行修正误差。其数字化的部分只是通过数模变换器设定电流和电压值并通过模/数变换器对实际输出进行测量和设定。

　　就目前的情况而言，在名为KLP的1200W电源新产品系列中，功率的计算已经分散嵌入到内部控制中，而且所占比重明显加大。这使得电源能连续地根据一个很宽范围内的电压设定值计算出新的电流限，以使得分布在很宽范围内的各种负载值能获得额定的1200W功率。与大多数CVCC设计类似的是，KLP有两个控制回路——一个专用于电流，另一个专用于电压。不过，它们的交点并不是单个点，而是一系列间距很小的点，这些点连接起来构成了一条代表功率不变的双曲线。事实上，这形成了一条新的边界——在代表恒压工作特性的水平直线及代表恒流工作特性的垂直直线之间的恒定功率双曲线。

　　对用户来说，由于该电源能无缝地对其边界进行调节，在其它极限值处继续输出全部1200W功率，故它看上去仿佛就是一个机箱包含了覆盖整个范围的各种电源。这意味着电源领域的新进展，它大大扩展了用户的工作区域。

　　Kepco电源公司的KLP系列电源属于1200W开关型设计，使用长方形功率极限形式，在水平的恒压曲线和垂直的恒流曲线间通过双曲线型功率极限曲线划分出一个区域。该技术大大扩展了输出工作范围。

　　这些电源具备了现代开关电源设计通常所具备的功能特征，包括：宽范围AC输入，功率因数修正和内置EMI滤波。不过，它的特性在于其双曲线型的功率极限，即使用户使用的负载变化范围很宽，也都可以真正获得1200W额定功率。■