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,电源是一个反馈系统,可以实现特定参数的调节。在恒压(CV)条件下,电源的反馈控制环路可以调节电压。在恒流(CC)条件下,电源的反馈控制环路可以调节电流。

所以,当您使用 CV/CC 电源时,意味着电源在 CV 模式下运行,会根据编程设定的电压设置来调节恒压,直到负载消耗足够的电流,达到可编程控制的电流设置。这种可编程的电流设置通常称为电流限制。

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,电源根据编程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,如果电源在 CC 模式下调节恒定电流,它会继续如此操作,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 按钮或 CC 按钮在哪里?”答案是“没有这样的按钮”,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,流过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,大量电流流过电源,电源处于 CC 模式(图 1)。

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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。

优先模式介绍

我们介绍下一个概念:优先模式。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,电源的电压控制环路具有优先权。当今市场上的大多数电源仅具有电压优先功能,不能提供电流环路优先模式。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,电流优先模式下的电源也可以是 CV 或 CC。优先模式只是对电源从 CV 切换到 CC 或从 CC 切换到 CV 的特性进行了界定。

那么,优先模式的意义是什么?下面将解释各优先模式的电源特征。

电压优先模式

电压优先模式启动时,初始电压设为 0 V,电流设为电流设置值。由于是处在电压优先模式下,因此 CV 环路具有优先权,电源以恒压启动,电压为调节后的参数。电压从 0 V 开始,逐渐上升到 CV 环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。

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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

如果为低阻抗负载,则 RLOAD <(电压设置/电流设置),电压将以 CV 模式开始工作,不过低负载阻抗意味着电压无法达到设置值。相反,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 环路取得优先权,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)。

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 0 A,电压设为电压设置值。由于是在电流优先模式下,所以 CC 环路具有优先性,因此电源以 CC 模式启动,电流为调节后的参数。电流从 0 A 开始,然后在 CC 环路调节下逐渐上升至编程设定的电流值,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/电流设置),电源将保持在 CC 模式下,干净地调节电流。随着电流达到设定电流值,电流过冲的情况很少或者从不出现,因为电源会对电流进行干净的调节。

如果为高阻抗负载,则 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 环路取得优先权,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)。

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图3 启动时的电流优先模式特性能够导致 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

虽然优先模式曾经通过模拟设计实现,但现代的电源都是采用数字信号处理(DSP)、数字反馈环路、FPGA 等技术的高度数字化控制电源。电源的特性,包括优先模式,都可以通过数字技术实现,因此,无论是电压优先还是电流优先,电源的原理框图没有区别。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信号。数字控制系统命令电源采取不同的操作来实现电压优先或电流优先。

因此,如果您对过冲比较关注,那么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 的内核时,应使用电压优先模式。如果需要尽量减少电流过冲,或者您的被测器件为低阻抗器件,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。

__作者:Bob Zollo,是德科技电子行业解决方案事业部电池测试解决方案架构师 __

《电子技术设计》2016年11月刊版权所有,谢绝转载。

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