大部分實驗室都把直流電源當作恆壓/恆流(CV/CC)電源使用;記住,電源是一個回饋系統,可以實現特定參數的調節。在恆壓(constant voltage,CV)條件下,電源的回饋控制迴路可以調節電壓。在恆流(constant current,CC)條件下,電源的回饋控制迴路可以調節電流。

所以,當你使用CV/CC電源時,意味著電源在CV模式下運作,會根據可程式化設定的電壓設置來調節恆壓,直到負載消耗足夠的電流,達到可程式化的電流設置;這種可程式設計的電流設置通常稱為電流限制(current limit)。

一旦所提供的電流達到電流設置,電源會從CV模式切換為CC模式。在CC模式下,電源根據可程式化設定的電流值調節恆定電流,電壓將開始下降,因為它已不再是被調節的參數。相反的,如果電源在CC模式下調節恆定電流,它會繼續如此運作,直到負載兩端電壓爬升到設定值;然後電源將進行模式切換,由CC模式轉換為CV模式。在CV模式下,電源將按照上述方式再次開始調壓。

這裡解釋了一個常見問題:「電源的CV或CC切換按鈕在哪裡?」答案是:「沒有這種東西!」因為電源模式是由負載電阻決定的;在高電阻或開路情況下,流經電源的電流非常小、或者沒有電流經過,電源為CV模式。與此類似,在低電阻或短路情況下,大量電流流經電源,電源處於CC模式(圖1)。

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圖1 直流電源的輸出特性顯示了驅動CV或CC模式的負載電阻(RLOAD)值。



何謂優先模式?

我們介紹下一個概念:優先模式(priority modes)。除了CV和CC模式以外,電源還可同時具有電壓優先和電流優先模式。優先模式控制電源的特性,在電壓優先模式下,電源的電壓控制迴路具有優先權。當今市場上的大多數電源供應器僅具有電壓優先功能,不能提供電流迴路優先模式;事實上這種情況非常普遍,大多數工程師甚至從來沒有意識到還有優先模式存在,他們只是期望自己的CV/CC電源具有電壓優先模式。

需要注意的是,優先模式與CV和CC無關,電壓優先模式下的電源可以是CC或CV;同樣的,電流優先模式下的電源也可以是CV或CC。優先模式只是定義了電源從CV切換到CC、或從CC切換到CV的行為。

那麼,優先模式具備什麼意義?以下將解釋各種優先模式下的電源供應器特性。

電壓優先模式

電壓優先模式啟動時,初始電壓設為0V,電流則設為電流設定值;由於是在電壓優先模式下,因此CV迴路具有優先權,電源以恆壓啟動,電壓為調節後的參數。電壓從0V開始,逐漸上升到CV迴路調節下的電壓設定值,表現良好,具有快速的電壓上升時間和最小的過衝(overshoot)性能。

如果負載為高阻抗,那麼RLOAD>(電壓設置/電流設置),電源保持為CV,對電壓進行乾淨的調節,電流將流入負載。隨著電壓達到設定電壓值,電壓過衝的情況很少或者從不出現,因為電源會對電壓進行乾淨的調節。

性能導致CV到CC轉換中的電流過衝

如果為低阻抗負載,則RLOAD<(電壓設置/電流設置),電壓將以CV模式開始運作,不過低負載阻抗意味著電壓無法達到設置值。相反的,源電流會迅速到達電流設置值,轉換為CC,電壓將崩潰。在CV模式到CC模式的短暫轉換中,CC迴路取得優先權,其需要一些時間將電流調節為電流設置值;這會導致短暫的電流控制不穩,從而進一步產生電流過衝(圖2)。

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圖2 啟動時的電壓優先模式特性能導致CV到CC轉換中的電流過衝。



簡言之,在電壓優先模式下,電壓表現出良好的特性,只有極少量的過衝;但是從CV模式到CC模式的交叉轉換過程中,電流有可能過衝,因為此時電流調節沒有獲得優先權。

電流優先模式

現在我們看看電流優先模式。在以電流優先模式啟動時,電流最初設為0A,電壓設為電壓設置值。由於是在電流優先模式下,所以CC迴路具有優先性,電源以CC模式啟動,電流為調節後的參數。電流從0A開始,然後在CC迴路調節下逐漸上升至程式設計設定的電流值,以便得到乾淨、良好的性能,同時擁有快速電流上升時間和最小過衝。

如果為低阻抗負載,則RLOAD<(電壓設置/電流設置),電源將保持在CC模式下,乾淨地調節電流。隨著電流達到設定電流值,電流過衝的情況很少或者不出現,因為電源會對電流進行乾淨的調節。如果為高阻抗負載,則RLOAD>(電壓設置/電流設置),電源將保持在CC模式下,但高負載阻抗意味著電源無法使足夠的電流流過負載。通過高負載阻抗的任何電流將在負載上產生高電壓,電源會迅速達到電壓設置值,然後轉換到CV。

在CC模式到CV模式短暫的轉換期中,CV迴路取得優先權,其有機會將電壓調節為電壓設置值。這會導致短暫的電壓控制不穩,有可能產生電壓過衝(圖3)。

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圖3 啟動時的電流優先模式特性會導致CC到CV轉換時的電壓過衝。



簡言之,在電流優先模式下,電流表現出良好的特性,只有極少量的過衝。但是,從CC模式向CV模式轉換時,電壓有可能過衝,因為此時電壓調節沒有獲得優先權。

總結

雖然過去優先模式都是過類比設計實現,但現代的電源供應器都是採用數位訊號處理(DSP)、數位回饋迴路、FPGA等技術的高度數位化控制;電源的特性,包括優先模式,都可以透過數位技術實現,因此無論是電壓優先還是電流優先,電源的基本功能區塊沒有差別。換言之,無論處於哪種模式之下,電源都不會切換不同的電路或通過不同路徑傳輸訊號;數位控制系統命令電源採取不同的運作方式來實現電壓優先或電流優先。

因此,如果你顧慮過衝問題,可以選擇適當的優先模式:在電壓過衝必須最小的情況下,例如偏置到低電壓處理器或FPGA核心時,應使用電壓優先模式;如果需要儘量減少電流過衝,或者您的待測元件為低阻抗,例如在對電池充電或驅動包含大電容的系統時,應使用電流優先模式。