適當選擇電源優(yōu)先級以管理過(guò)沖

大部分實(shí)驗室都把直流電源當作恒壓/恒流(CV/CC)電源使用;記住，電源是一個(gè)回饋系統，可以實(shí)現特定參數的調節。在恒壓(constant voltage，CV)條件下，電源的回饋控制回路可以調節電壓。在恒流(constant current，CC)條件下，電源的回饋控制回路可以調節電流。

所以，當你使用CV/CC電源時(shí)，意味著(zhù)電源在CV模式下運作，會(huì )根據可程序化設定的電壓設置來(lái)調節恒壓，直到負載消耗足夠的電流，達到可程序化的電流設置;這種可程序設計的電流設置通常稱(chēng)為電流限制(current limit)。

一旦所提供的電流達到電流設置，電源會(huì )從CV模式切換為CC模式。在CC模式下，電源根據可程序化設定的電流值調節恒定電流，電壓將開(kāi)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模式下調節恒定電流，它會(huì )繼續如此運作，直到負載兩端電壓爬升到設定值;然后電源將進(jìn)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(kāi)始調壓。

這里解釋了一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：「電源的CV或CC切換按鈕在哪里?」答案是：「沒(méi)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(kāi)路情況下，流經(jīng)電源的電流非常小、或者沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)，電源為CV模式。與此類(lèi)似，在低電阻或短路情況下，大量電流流經(jīng)電源，電源處于CC模式(圖1)。

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

何謂優(yōu)先模式?

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

需要注意的是，優(yōu)先模式與CV和CC無(wú)關(guān)，電壓優(yōu)先模式下的電源可以是CC或CV;同樣的，電流優(yōu)先模式下的電源也可以是CV或CC。優(yōu)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。

那么，優(yōu)先模式具備什么意義?以下將解釋各種優(yōu)先模式下的電源供應器特性。

電壓優(yōu)先模式

電壓優(yōu)先模式啟動(dòng)時(shí)，初始電壓設為0V，電流則設為電流設定值;由于是在電壓優(yōu)先模式下，因此CV回路具有優(yōu)先權，電源以恒壓?jiǎn)?dòng)，電壓為調節后的參數。電壓從0V開(kāi)始，逐漸上升到CV回路調節下的電壓設定值，表現良好，具有快速的電壓上升時(shí)間和最小的過(guò)沖(overshoot)性能。

如果負載為高阻抗，那么RLOAD>(電壓設置/電流設置)，電源保持為CV，對電壓進(jìn)行干凈的調節，電流將流入負載。隨著(zhù)電壓達到設定電壓值，電壓過(guò)沖的情況很少或者從不出現，因為電源會(huì )對電壓進(jìn)行干凈的調節。

性能導致CV到CC轉換中的電流過(guò)沖

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(kāi)始運作，不過(guò)低負載阻抗意味著(zhù)電壓無(wú)法達到設置值。相反的，源電流會(huì )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回路取得優(yōu)先權，其需要一些時(shí)間將電流調節為電流設置值;這會(huì )導致短暫的電流控制不穩，從而進(jìn)一步產(chǎn)生電流過(guò)沖(圖2)。

圖2 啟動(dòng)時(shí)的電壓優(yōu)先模式特性能導致CV到CC轉換中的電流過(guò)沖。

簡(jiǎn)言之，在電壓優(yōu)先模式下，電壓表現出良好的特性，只有極少量的過(guò)沖;但是從CV模式到CC模式的交叉轉換過(guò)程中，電流有可能過(guò)沖，因為此時(shí)電流調節沒(méi)有獲得優(yōu)先權。

電流優(yōu)先模式

現在我們看看電流優(yōu)先模式。在以電流優(yōu)先模式啟動(dòng)時(shí)，電流最初設為0A，電壓設為電壓設置值。由于是在電流優(yōu)先模式下，所以CC回路具有優(yōu)先性，電源以CC模式啟動(dòng)，電流為調節后的參數。電流從0A開(kāi)始，然后在CC回路調節下逐漸上升至程序設計設定的電流值，以便得到干凈、良好的性能，同時(shí)擁有快速電流上升時(shí)間和最小過(guò)沖。

如果為低阻抗負載，則RLOAD(電壓設置 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(zhù)電源無(wú)法使足夠的電流流過(guò)負載。通過(guò)高負載阻抗的任何電流將在負載上產(chǎn)生高電壓，電源會(huì )迅速達到電壓設置值，然后轉換到CV。

在CC模式到CV模式短暫的轉換期中，CV回路取得優(yōu)先權，其有機會(huì )將電壓調節為電壓設置值。這會(huì )導致短暫的電壓控制不穩，有可能產(chǎn)生電壓過(guò)沖(圖3)。

圖3 啟動(dòng)時(shí)的電流優(yōu)先模式特性會(huì )導致CC到CV轉換時(shí)的電壓過(guò)沖。

簡(jiǎn)言之，在電流優(yōu)先模式下，電流表現出良好的特性，只有極少量的過(guò)沖。但是，從CC模式向CV模式轉換時(shí)，電壓有可能過(guò)沖，因為此時(shí)電壓調節沒(méi)有獲得優(yōu)先權。

總結

雖然過(guò)去優(yōu)先模式都是過(guò)模擬設計實(shí)現，但現代的電源供應器都是采用數字訊號處理(DSP)、數字回饋回路、FPGA等技術(shù)的高度數字化控制;電源的特性，包括優(yōu)先模式，都可以透過(guò)數字技術(shù)實(shí)現，因此無(wú)論是電壓優(yōu)先還是電流優(yōu)先，電源的基本功能區塊沒(méi)有差別。換言之，無(wú)論處于哪種模式之下，電源都不會(huì )切換不同的電路或通過(guò)不同路徑傳輸訊號;數字控制系統命令電源采取不同的運作方式來(lái)實(shí)現電壓優(yōu)先或電流優(yōu)先。

因此，如果你顧慮過(guò)沖問(wèn)題，可以選擇適當的優(yōu)先模式：在電壓過(guò)沖必須最小的情況下，例如偏置到低電壓處理器或FPGA核心時(shí)，應使用電壓優(yōu)先模式;如果需要盡量減少電流過(guò)沖，或者您的待測組件為低阻抗，例如在對電池充電或驅動(dòng)包含大電容的系統時(shí)，應使用電流優(yōu)先模式。