將直流電源連接到負載似乎是一項不簡單的任務
在很多情況下這就是事實。雖然直流電源製造商將其電源設計為在為任何類型的負載供電時保持穩定，但這並不意味著電源不會受到可能導致問題的某些負載特性的影響。感性或容性負載會對電源施加能量，這可能會損壞電源的輸出級。輸出級的目的在提供功率，而不是吸收功率。同樣，有源負載（例如電池）可能會向電源提供具破壞性的電能。 除了向電源輸送能量，一些容性負載、感性負載和負載電流產生大幅快速變化的負載也會導致振而損壞。
此外，由於負載無法獲得正常運行所需的穩定直流電壓，因此測試會中斷。 另一個可能導致振的因素是電源和負載之間的接線。雜訊也會耦合到敏感的遠程傳感線路中並影響電壓控制電路。本文將描述可能對直流電源造成潛在危險的各種類型的負載。另外，以下段落將描述可能導致電源-負載電路中振盪的負載類型以及也可能導致振盪的接線條件。對於每種類型的負載和電路條件，我們將為這些挑戰提供解決方案。我們的建議將確保電源正常執行和保護負載。
電感性負載
電感性負載可能是一種能量源 (反電動勢)，可能會反饋回電源並損壞電源。因此，必須保護電源免受電機、線圈和機電繼電器等電感性負載的影響。當電源向電感性負載施加電壓和電流時，電感性負載周圍會形成磁場，並成為勢能的來源。勢能 U（以焦耳為單位）為 ½·L·I2，其中 L 是以亨利為單位的負載電感，I 是通過負載的電流（以安培為單位）。
當輸送到負載的功率被移除時，其磁場快速歸零並感應出與輸送電流極性相反的電流。電流產生由等式 V = L·di/dt 的電壓峰值，該電壓峰值是在電感器 L 和 di/dt（傳遞電流的變化率）的作用下產生的電壓。 由於 di/dt 為負，因此電壓峰值具有與傳輸電壓相反的極性。這種反向電壓尖峰有多個名稱，稱為反電動勢、反電動勢或反激電壓。感性負載兩端電壓的公式表明，電流變化越快，電壓尖峰的幅度就越大。電壓峰值可能遠高於電源提供的電壓。 因此，來自電感性負載的反電動勢可能會進入並損壞電源。
這時可在電源輸出端放置一個反向偏置二極體來保護電源。 該二極體稱為反激二極體 (flyback diode) 或續流二極體，或飛輪二極體（freewheeling diode）。 連接二極體，使其負極連接到電源的高輸出端，正極連接到低輸出端，如下圖所示。
當電源向負載提供電壓時，二極體反向偏置，對電路沒有影響。 當電源輸出變為低值或關閉時，電感器兩端產生的反電動勢會向前偏置二極體，以便電感器產生的電流流過二極體而不是電源。 因此，續流二極體可保護電源免受感性負載反電動勢的影響。
電容性負載
超級電容器、電容器負載組或濾波器等電容性負載可能會產生電壓峰值，進而對電源造成危險。 與感性負載一樣，電容性負載將勢能 U（以焦耳為單位）存儲為 I/2·C·V2，其中 C 是以法拉為單位的有效電容，V 是電容性負載兩端的電壓。當電源電壓低於負載上的電壓時，負載會傳遞由 I = C·dV/dt 確定的電流。 同樣，電壓變化率越快，流向電源的電流就越大。 電流浪湧在電源兩端的電路中產生電壓。 這種反向負載電流和電壓會損壞電源。
為了保護電源免受這種情況的影響，請在電源的輸出端添加一個串聯二極體，以防止來自電容性負載的反向電流進入電源。 如圖 2 所示連接二極體。只要二極體正向偏置，電流就會從電源流出，為負載供電。 當電源電壓關閉或降至低於容性負載上的電壓時，二極管將變為反向偏置，並防止反向電流從容性負載放電到電源中。
電池負載
電池是一種電化學電源。直流電源可以測試充電電池並為其充電。作為電源，電池對電源的損害非常大。 因此，電池和電容負載是相似的。 如果電池上的電壓超過電源電壓，電池就會向電源放電，就像容性負載在類似情況下所做的那樣。 使用串聯二極體（如圖 2 所示）將保護電源免受電池放電電流的影響。
如何保護被測物 – 電池？
雖然電池可能會損壞電源，但反之亦然。 電源可能會損壞電池。 如果將電池連接到電源進行充電應用，反極性連接會立即損壞電池，並且電源電流從電池流向電源。 在電池沿著生產線移動的自動化或半自動化系統中，很容易發生電池反向連接。 一個安全的電池測試系統需要極性檢測電路和接觸器。
極性檢測電路可防止接觸器閉合併向錯誤連接的電池供電。 下圖說明了電池極性保護電路。
保護電源和負載免受振盪
某些類型的負載可能會導致電源振盪，振盪可能會損壞電源和負載。負載類型可能是高容性負載，它們會在電源-負載電路中引入相移和阻抗失配。感性負載也會造成不穩定，而可能引起振蕩的第三種負載是具有電流快速階躍變化特性的負載。例如電動機驅動系統，其中負載電流在加速和減速過程中快速變化。
與諧波一樣，濾波器可以減輕高電抗負載和具有快速變化特性的負載的影響。圖 4 顯示了一種可能的濾波方式。 當負載電流幾乎瞬時增加時，連接到負載的電容器可以提供瞬時電流源，這將有助於穩定負載電壓。電容器還提供去耦和雜訊抑制功能。 Pi-filter 濾波器添加了一個電感器，可將電源與高頻雜訊和負載產生的高頻分量隔離。 這有助於提高電路穩定性。
電源和負載之間的接線也可能是振盪源。 當使用遠端偵測補償 (remote sensing)來確保施加到負載的電壓是設定電壓時，情況確實如此。 當負載吸收高電流時，遠端偵測可補償配線和其他電源-負載電路中的壓降。
檢測線連接到高阻抗輸入測量電路（本質上是電壓表），因此檢測電路不會從負載吸取任何明顯的電流。量測電路檢測雜訊並將該信號傳輸到電源誤差控制電路。檢測線上的任何雜訊都會傳輸到誤差放大器的輸入端。這可能會導致輸出因雜訊而振盪。圖 5 說明了遠端偵測補償如何補償負載電路引線上的壓降。
雖然遠端偵測（如圖 5 所示）可以補償引線電阻引起的壓降，但該圖過於簡化了電源供電的實際電路。 圖 6 描繪了應用於電源的更完整的負載電路。 測試線，無論是非屏蔽線還是屏蔽線，實際上都是電阻、電感和電容的等效電路。 對於非屏蔽線，電容有效地連接到接地層；如果使用屏蔽電纜，則電容有效地連接到屏蔽層。
實際情況是 — 負載是一個 RLC 等效電路。儘管電源提供直流電壓，但沒有一個電源輸出是無雜訊的，並且 RLC 等效電路上的這種雜訊可能會導致諧振條件和振盪。消除振盪可能是一項艱鉅的挑戰，並且沒有有保證的、直接的解決方案。 解決問題需要反複的試驗。
以下是一些建議：
- 如果電流輸出出現振盪 – 添加阻尼電路（damping circuit）。
- 如果電壓輸出出現振盪 – 嘗試增加電源直流端子或被測設備上的電容值。
- 在DC + 側添加一個小電阻電容。
- 如果可能，縮短電源和負載之間的測試引線長度。
- 使用與源線平行的遠端偵測線（最好用膠帶粘在電線上）。如果遠端偵測線與源極線並聯，則源極線和遠端偵測線相互影響，從而補償由電感引起的測量電壓的相移，從而消除了電壓振蕩的諧振基礎。將遠端偵測線和源線絞合在一起也有幫助。
- 另一種選擇是將源極線和遠端偵測線分開，如圖 7 所示。使用雙絞線可最大限度地減少環路面積並最大限度地減少遠端偵測線中的感應電壓。 此外，使用屏蔽雙絞線以防止外部電磁干擾 (EMI) 進入遠端偵測線。
採用正確的接地方法可以避免雜訊接地後電流流入電源接線，導致電壓檢測電路不穩定。確保電源-負載電路僅在一點接地，通常在電源處。 圖 8 使用單獨的檢測引線配置，顯示了當負載和電源都接地並且兩個接地電位略有不同時，會有流過檢測線的接地電流。保持電源和負載之間的接線盡可能短，可以減少電源線中的總分佈電容和電感，並減少振盪的可能性。 屏蔽線則可減少從外部接收雜訊的機會。
選擇另一種先進的電源類型
保護電源的另一種方法是考慮使用雙向電源。雙向電源可以是電源，也可以是電子負載。這種類型的電源可以安全地吸收和輸送電力。雙向電源可以安全地吸收來自容性負載、感性負載和有源負載的功率。當在不同時間需要電源和負載功能時，雙向電源即具有成本效益。雙向直流電源可選擇的品牌型號為 EA Elektro-Automatik PSB 10000 / PUB 10000 / BT 20000，它們具有能源回收式電子負載電路和真正的寬範圍，這意味著設備的全部源功率和接收功率可在很寬的工作範圍內使用。
了解負載和電源的特性
雖然電源被設計為穩定的直流電壓源，但負載類型可能會干擾電源性能，更有可能某些負載類型會損壞電源。也可能導致電源損壞負載。 此外，負載和負載接線可能會引起振盪，從而可能損壞電源和負載。對於確保電源-負載電路正常且同時保護電源和負載，了解負載的特性至關重要。 針對可能導致電源或負載故障的情況進行防範，將有效確保安全的使用直流電源和負載。
Reference:
an041_ensure-protected-reliable-operation-for-a-dc-power-supply-in-any-load-circuit_en