理想的直流電源可不受負載電流影響，提供恒定的直流電壓輸出。但目前，尚無電子產品或其他類似用途器件能夠達到電子產品教科書（其中的所有設計都是基于理想組件）中所述的性能水平。那么，真實電源與理論上的理想電源存在哪些不同呢？

在回答這個問題之前，我們先來看看實際可編程直流電源的工作方式。電源的類型眾多，具體功能也不盡相同。可編程直流電源在各個行業有著眾多的應用方式。我們將探討電源的某些特性，看看這些特性如何賦予電源豐富的功能，進而滿足多樣化的應用需求。實際上，看似簡單的產品可能蘊含復雜的技術。

01 電源工作方式概述

圖 1. 直流電源常見模塊圖

工作方式

圖 1 顯示了直流電源的基本電路模塊。變壓器將交流線路與電路的其他部分進行電隔離。變壓器還根據所需要的并且電源預期擁有的最大直流輸出電壓，調低或調高交流線路的電壓。

整流電路模塊將來自變壓器的交流電壓轉換為單極交流電壓。接下來，濾波模塊將這個單極交流電壓轉換為具有紋波效應的瑕疵直流電壓。

調壓器將輸出電壓調整到所需水平，并執行進一步濾波，使得輸出為恒定的直流電壓。

這些電路模塊包含許多組件，但它們均不是理想組件。電容器和電感器具有寄生電阻、寄生電容（電感器中）和寄生電感（電容器中）。晶體管和二極管具有 I-V 特性，可隨溫度變化而變化。所有組件的參數值都存在一定容差，且它們都要消耗電源、具有功率限制且會產生噪聲。這些非理想特性讓電源無法成為絕對恒定的直流輸出源。

02 與理想輸出的偏差

直流電源所提供的輸出并不始終是用戶編程的輸出。制造商將基于組件容差，定義某個直流輸出的精度：輸出精度或顯示精度。制造商還可能指定一個溫度系數，當環境溫度超出電源校準溫度范圍時，可將這個溫度系數加到輸出容差。導致直流輸出跌至編程值以下的另一個原因是，在使用大電流負載的情況下，電源中各組件的內部電阻所承受的電壓更大。制造商將這種效應指定為負載調整率，以全電壓的百分比誤差來表示。為充分確定直流電源的輸出精度，應將這個負載調整率誤差加到輸出精度。

直流電源的直流輸出上也將伴隨噪聲。由于金屬結構物中的電子運動和碰撞，所有電子組件中都存在固有噪聲。這種噪聲被稱為約翰遜噪聲。受交流線路上的條件、環境電磁干擾 (EMI) 和接地線路上的雜散電流影響，在電源輸出中也會產生噪聲。跟其他電子儀器一樣，如要盡可能降低電源中的噪聲，需要掌握良好設計技術的詳細信息。但無論設計有多好，直流電源的輸出上都將存在噪聲。

03 電源拓撲

電源拓撲有兩種類型。電源設計可以采用線性拓撲或開關模式拓撲。它們的設計區別在于整流模塊和調壓模塊。

線性拓撲

在線性設計中，電路中持續存在電流。該設計的優點在于噪聲低、復雜度低，但效率不太高。線性電源的效率低于 50%。

開關拓撲

另一方面，開關模式電源的效率可以達到 90%，但它們的復雜度和輸出噪聲都要高得多。造成噪聲較高的原因是有源組件，即晶體管，它們用作開關，在 kHz 頻率下接通和關斷電源。開關模式電源的優點在于，相比同等能力的線性電源，它們更小、更輕。開關模式電源可以搭配重量更輕、尺寸更小的變壓器。此外，開關頻率越高，所有感性元件分量可以越小。

雖然這兩種拓撲都適用于數百瓦以內的電源，但開關模式電源大多用于設計功率超過 500 W、甚至千瓦級別的電源。對于千瓦級電源，變壓器也將非常大且非常重。

04 直流電源的類型

圖 2. 直流電源的三種類型

大多數電源都是單極設備，采用正極輸出。電壓和電流都為正。它們的工作象限僅是圖 2 中所示的 I 象限。電源也可以具有更復雜的電路以及更多的工作象限。雙極輸出電源的工作象限為 I 象限和 IV 象限。輸出電壓可以為正或為負，但電流始終為正。第三類電源的工作象限可為 I 象限和 II 象限。這類電源被稱為雙向電源。在 I 象限，電源為直流電壓源。在 II 象限，雙向電源具有正電壓、負電流。電源吸收電流，是作為電子負載來工作。因此，雙向電源兼具兩種設備（直流電源和直流電子負載）的性能。

05 控制直流輸出

我們來稍微多介紹一下調壓電路模塊。調壓器對輸出進行濾波，以盡可能減少直流輸出的紋波，同時它還將輸出電壓保持在經調整或編程的水平。我們可以將調壓電路作為反饋放大器來建模，如下圖 3 所示。輸出電壓傳感電路監視輸出電壓，并將其反饋給功率放大器。功率放大器的電壓輸出根據放大器輸入處的壓差的極性，來提高或降低自身的輸出。

圖 3. 顯示了電壓控制（未顯示輸出濾波）的電源輸出級

當負載吸收的電流較小時，只需監視直流電源輸出端的電壓即可。在負載電流較小的情況下，導線上的壓降并不明顯。但在負載電流較大時，導線上的壓降可能較顯著，施加到負載的電壓將低于編程輸出電壓：

如果直流電源的設計采用四線連接，其中，兩條導線用于將電源連接到負載，兩條導線用于傳感負載電壓，那么就可以針對負載處的較低電壓進行修正。下圖 4 顯示了負載的 4 線連接。

圖 4. 顯示了本地和遠程傳感的輸出級

輸出級傳感電路具有高輸入阻抗，因此這個電路吸收的電流非常小。當傳感線上的壓降微不足道時，電壓傳感電路測量負載處的實際電壓，并將該電壓反饋給電源的功率放大器。放大器將其輸出電壓提高兩倍導線電壓，以補償導線壓降。這一功能被稱為遠程傳感，可確保負載處的輸出為所需電壓。在不使用 4 線連接的情況下，調壓器采用本地傳感，即，將輸出電壓保持為輸出端的電壓水平。使用 4 線連接可保證更大的負載電壓精度。

06 輸出特性選項

電源可以使用不同的方法向負載供電。典型電源將具有矩形 I-V 輸出特性。電源的輸出可為電壓值和電流值的任意組合，介于由最大額定電壓和最大額定電流界定的矩形范圍內。下圖 5 中的藍色粗線顯示了具有矩形 I-V 輸出特性的直流電源。第二種供電方法是自動量程輸出。具有 I-V 自動量程輸出特性的直流電源兼具矩形輸出和曲線輸出的特性。相比具有矩形輸出的同等能力電源，自動量程輸出特性可提供范圍更大的負載電流和輸出電壓。圖 5 中的黑色和紅色曲線是自動量程輸出特性的示例。自動量程輸出特性的優點包括：

圖 5. 矩形輸出特性與自動量程輸出特性的比較

在紅色曲線上的所有點，均可提供全功率輸出。相比之下，具有矩形輸出的電源則只能在其最大電壓和電流下（藍色矩形的最右角點）提供全功率輸出。

在低于矩形輸出電源最大電壓的任意電壓下，提供的電流都大于具有矩形輸出的電源。

得益于更大的電流輸出和電壓，能夠以更大的靈活性來滿足更加多樣化的應用需求。這樣，可能就不需要增設額外的電源，亦可滿足新應用或升級應用的需求。

采用較低功率的電源，同樣能夠實現與矩形電源相當的 I-V 性能，從而有助于節省成本。

某些自動量程電源具有的曲線輸出特性，只能夠在有限的電壓范圍內提供全功率輸出。EA Elektro-Automatik 電源具有“真正的自動量程”輸出特性，電源能夠在上至最大額定電壓、下至該最大額定電壓的 33% 的范圍內，提供全功率輸出。其他自動量程電源很難達到這樣的性能水平。這讓 EA 能夠從眾多同行中脫穎而出。

因此，電源的電力輸出方式可決定其性能級別。

07 提升電源性能

電源可以具有其他高級功能。其中兩個例子便是波形生成和多種控制接口。電源可配有內置函數發生器，用于基于直流偏壓成波形。另外，電源還可以配有數字量和模擬量接口，用以連接 PC、PLC 和其他設備進行通訊。

雙向電源作為負載工作時，能將所吸收的能量轉化為交流電并以高達 96% 的效率回饋至交流電網。這類電源被稱為回饋式電源。

除提供準確且接近純正的直流電壓之外，電源還可以具有更多如上文所述的功能。在實現功能增強的同時，設計復雜度也更高。

08 應用

供電

產品中包含電子元件的大多數行業都采用的是直流電源。設計工程師依托電源來開發新電路和新產品。測試工程師依托電源來驗證成品性能。在采用電子電路和組件的眾多行業中，設計需要滿足多種多樣的功率、電壓和電流要求。因此，有眾多的電源型號可供選擇，它們的輸出范圍下至 100 W 上到 60 kW。這些型號既有供設計人員使用的臺式電源，也有供測試工程師使用的機架式電源，類型豐富，不一而足。

充當模擬源

除供電之外，設計和測試工程師通常還需要模擬太陽能電池板、電池和燃料電池等產品。這時，內置有函數發生器的雙向電源便能夠充當模擬源，用于模擬電池、電池充電器、燃料電池或太陽能電池板。同時，此電源可用作負載，用于對已放電的電池或者作為電池、太陽能電池或燃料電池供電對象的電路進行模擬。

內置函數發生器可模擬直流電源線路上的噪聲和其他干擾，以驗證產品能否耐受特定級別的應力。函數發生器還可以模擬波形，以測試是否符合特定標準，比如汽車和航電行業的那些標準。

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直流電源是電子產品設計和測試所需的重要設備。電子產品的豐富多樣使得電源類型和電源功能也豐富多樣。

這里不一一贅述。