仪器仪表电源应用

电源测试仪器不再只是直流输出设备。与它们使用的产品一样，电源已经发展到可以与 PC 连接、模拟电池和太阳能电池等电源，并执行测试序列。单个仪器的功率范围从低至 30 W 到高达 60 kW，电压高达 2000 V，电流输出高达 1000 A。电源是复杂的仪器。

直流电源概述

图 1 显示了直流电源的基本电路框图。变压器将交流线路与电路的其余部分电隔离。变压器还根据电源所需的直流输出电压来降低或升高交流线路的电压。整流电路块将来自变压器的交流电压转换为单极交流电压。接下来，滤波器块将单极交流电转换为具有纹波效应的不完美直流电压。调节器将输出电压调节至所需水平，并添加进一步的滤波，以便输出恒定的直流电压。

　

与理想输出的偏差

直流电源输出并不总是提供用户编程的输出。根据组件容差，制造商将定义直流输出的精度。制造商还可以指定温度系数以增加输出容差。直流输出低于编程值的另一个原因是，在高电流负载下，电源中各个组件的内部电阻会降低更多的电压。制造商将这种效应指定为负载调节，即满量程电压的百分比误差。为了完全确定直流电源的输出精度，请将负载调节误差添加到输出精度中。

直流电源的输出也会产生噪声。所有与电子运动和原子碰撞相关的电子元件都存在固有的噪声。交流线路、EMI 和接地线上的杂散电流等条件也会在电源输出中产生噪声。无论设计多好，直流电源的输出都会产生噪声。

电源拓扑

有两种类型的电源拓扑：线性和开关模式设计。线性设计使功率在电路中连续流动。他们的设计具有低噪声和低复杂性的优点，但效率不是很高。线性电源的效率低于 60%。开关模式电源的效率可达 90%，但复杂性更高，输出噪声也更高。较高的噪声是由晶体管造成的，晶体管用作以 kHz 速率循环打开和关闭电源的开关。与同等供电的线性电源相比，开关模式电源受益于使用更小、更轻的变压器。虽然这两种拓扑都适合低瓦数电源，但开关模式电源几乎总是用于设计功率级别高于 500 W 的电源。

直流电源的版本

大多数电源都是在象限（正 V 和 I）运行的单极仪器。双极输出电源在象限 I 和象限 IV 中运行。输出电压可以是正的，也可以是负的，而电流始终是正的。第三种类型的电源可以在象限 I 和象限 II 中运行。这种类型的电源称为双向电源。在象限 I 中，电源是直流电压源。在象限 II 中，电源吸收电流并作为电子负载运行。因此，双向电源结合了两种仪器（直流电源和直流电子负载）的性能。参见图 2。

图 2. 三种类型的直流电源。图片由博多电力系统提供  

控制直流输出

除了对输出进行滤波以提供无纹波直流输出外，稳压器还将输出电压维持在编程水平。我们可以将调节器电路建模为反馈放大器，如图 3 所示。输出电压检测电路监视输出电压并将其反馈至误差/功率放大器。误差/功率放大器根据放大器输入端电压差的极性来提高或降低其输出。

图 3a。 输出调节阶段。图片由博多电力系统提供
图 3b：具有本地和远程传感的输出调节级。图片由博多电力系统提供  
图 3. 显示电压控制的电源输出级（未显示输出滤波）

当负载消耗少量电流时，监控直流电源输出端子的电压就足够了。在小负载电流下，引线上的电压降可以忽略不计。然而，对于大负载电流，引线上的电压降可能很大，并且施加到负载的电压低于编程的输出电压：

　V L o a d = V S up p ly ? 2 ? V L e a d ? _ _

如果电源采用 4 线连接设计，其中两根线向负载供电，两根线检测负载电压，则电源会针对负载处的较低电压进行校正。图 3b 显示了负载的 4 线连接。

输出电压采样电路具有高输入阻抗；因此，它消耗的电流可以忽略不计。由于检测线上的压降可以忽略不计，电压检测电路可测量负载处的实际电压，并将该电压反馈至电源的误差/功率放大器。放大器将其输出电压提高(2cdot V_{Lead})，以补偿源极引线中的压降。此功能称为远程感测，可确保负载的输出为所需电压。使用 4 线连接可确保负载电压更准确。2 ? V导程_ _

输出特性选项

电源可以使用不同的方法向负载供电。典型的电源具有矩形的输出 IV 特性。电源的输出可以是矩形内的任意一组电压和电流值。图 4 中的蓝色粗线说明了具有矩形 IV 输出特性的直流电源。第二种传送方法称为自动量程。具有自动调整 IV 输出特性的直流电源具有矩形输出和双曲线输出的组合。与具有矩形输出的同类电源相比，自动调整范围特性可以提供更宽范围的负载电流，有时甚至可以提供更宽的电压范围。图 4 中显示的黑色和红色曲线是自动量程输出特性的示例。

图 4. 矩形输出特性与自动量程输出特性的比较。图片由博多电力系统提供