直流电源供应器的寿命
Mark J Medrud 杨德宜编译
本文的原文标题为「Service Life of the DC Power Supply」，节录自Jeff Rowland Design Group发表的文章，由该公司设计工程师Mark J Medrud所撰写，内容旨在说明直流电源供应器中蓄电池的耐用性。Jeff Rowland是目前Hi-End音响制造商当中，对於电池供应直流电源实行最彻底者，该公司旗下的Model 8与Model 9等後级都有BPS（Battery Power Supply）外接电池电源供应器可以选择，而Coherence旗舰前级更采用内建电池设计。虽说Mark J Medrud写这篇文章多少有宣扬自家产品前瞻性设计的用意，不过读者们还是可以从中得到许多关於电池特性的知识。
尽管从许多声音表现与设计著眼点的优势，都可以证明Jeff Rowland直流电源供应器（DCPS）的好处，不过仍然有人对电池的耗损程度以及内部酸性液体溢出的可能性提出了质疑。其实，大家依据过往经验而产生这种不信任是可以理解的，只是对於DCPS来说，这些质疑确是全然没有必要、且没有根据的。
蓄电池能够提供许多年的正常工作状态（注1） ─ 同样的，它也可能在极短的时间内就宣告寿终正寝。通常，在蓄电池厂商所提供的特性规格表中，都会注明该产品能够进行充电/放电循环达数百、甚至数千次。不过，许多人却发现无论是无线电话或小朋友玩具里的蓄电池，充电/放电循环周期寿命都可能在六个月以内结束。为什么会有如此显著的差异呢？
事实上，应用得当的蓄电池能够使用非常久，在真正影响它实际使用寿命的因素中，不良的充电管理（注2）应该要负起最大责任。绝大多数有智慧的设计工程师，都知道选择蓄电池时要著眼於最重要的特性，只有少数人会看上那些又小、又轻、又廉价的产品，而完全不去考虑工作寿命的问题。
镍镉电池（NiCad）被广泛的使用，通常就是充电管理梦靥的最佳明证，因为这种蓄电池对於使用状况格外的敏感。不过，昂贵的特制微处理器晶片可以用来了解镍镉电池在任何时刻所需要的充电量，加入程式控制的晶片甚至能够监控储电量维持的时间长短。
Jeff Rowland後级扩大机所使用的BPS直流电供应器，内部配置了密封铅钙电池（SLC）。这种蓄电池的特性相当好，外部以环氧树脂封装，没有破裂或是酸液泄漏的危险。
业界前级的最高指标之一 ─ Jeff Rowland Coherence。它也是市场上极少数采用蓄电池供应电源的扩大机产品。
镍镉电池经常在许多方面被误用：充电或放电速度太快，导致过热而泄漏或是破裂；放电过头使得内部结构（注3）氧化还原的可逆反应失效（注4）；一再重复的未完全充电或放电导致「记忆性」（注5），使得蓄电池无法提供充足的工作电压；装置在热源的附近（如充电器）使蓄电池寿命提早结束；充电时间过长，也会导致内部过早发生状况。
充电时间的长短，对镍镉电池来说是一大关键。正常的全新镍镉电池所需之完美充电时间，根本比不过一个旧镍镉电池的电力流失（注6）速度；比起其他种类的电池，镍镉电池在这方面特别严重。即使完全不去使用它，全新的镍镉电池也会在几个月之内完全失去电力，而临终前的镍镉电池即使在电力充足的状态下，闲置不用几天也会将电力完全耗尽。而且，由於经常发生需要时却没电可用的状况，所以人们总是习惯连续不断地进行充电。这种使用方式，极可能会将镍镉电池的寿命缩短至几个月，可是许多厂商居然会建议、或是设计出这种酷刑。
镍镉电池只有在极少数的应用领域里会有出色表现。例如，守夜人所使用的手电筒，便可能提供较完整的充电/放电周期，与充电管理的最佳示范：电池在守夜人手中会用到几乎没电（完全放电），然後第二天再经过12至16小时的C/10（注7）充电过程，所以能够有机会完全充电；不会有多余的时间导致过分充电；没有机会因为自行放电而耗尽电力；充电的过程温和；非常低的可能性导致氧化还原反应的可逆反应失效或是记忆性；而且，永远都处於备用状态。
既然蓄电池有这么多问题困扰著，为什么你还得相信Jeff Rowland设计的直流电源供应器能够提供更长、更没有问题的工作寿命呢？就像Jeff Rowland所有的产品，其实答案是非常简单的：我们以相同於设计器材的精神与注意力，用於前级与後级器材的直流电源供应器，并设计出最有效率的充电管理系统。
从蓄电池的化学特性著手，一种单电解液产品称为密封铅钙电池（Sealed Lead Calcium，SLC）拥有较佳的充电管理特性，因此被选用在DCPS上。不像镍镉电池在充电需求上不具可靠性，密封铅钙电池的末期电压会如同刚充完电般的持续向上提升，而且非常具有可靠性。即使是密封铅钙电池的「近亲」 ─ 铅蓄电池（LA，Lead-Acid），也能在汽车引擎室那么恶劣的环境里工作许多年。比较起来，在更为文明的家用音响系统当中，密封钙铅电池理当可以拥有更长的使用年限。
无论如何，不像是汽车用的铅蓄电池，密封铅钙电池更不可能会破裂！在汽车电池里，亚硫酸盐的区间设置在硫酸电解液之间，而且没有处於完全密封状态，当然无法排除泄漏的现象。在密封铅钙电池内，就没有这种酸化物溢出的可能性，因为它的电解液含量相当少，而且配置在独立的区间内，整体液态程度有如电筒所用的乾电池。在这种结构下，即使将密封铅钙电池切开，也不会有酸液溢出的可能性。
另一项单电解液技术所带来的优势，是来自於「硫酸盐化」（Sulfation）现象。如果汽车用铅蓄电池完全耗尽电量，它的极板通常会因为电解液化学反应而被硫酸盐包覆，进而妨碍充电工作进行。反观密封铅钙电池，由於内部的电解液极少，远低於极板产生硫酸盐化所需的含量，所以上述的问题完全不可能会发生。换句话说，若是从极板的状况来看，蓄电池本身从来没有完全放电过。
在滥用充电器的情况下，要想善加利用蓄电池的化学反应，通常得不到什么成效。Jeff Rowland所采用的充电管理方法，包括电压调整（Voltage Regulation）、限流控制（Current Limiting）与纹波过滤（Ripple Filtering），而且以制造扩大机主电源供应器的同样精神来设计这些部分。
电压调整功能是确保扩大机在待机时，电池能够精确地保持在充电完全的状态。大部份的充电器并没有电压调整设计，使得电池在高电压准位时过分充电，而低电压准位时却又充电不足。这二种状况对於电池内部的化学物质，都有著毁灭性的作用。
在任何时刻，密封铅钙电池都会处於不及完全充电的状态，使它吸收充电器所能够提供的最高电流量。此外，由於过高的充电率会引发充电器与蓄电池本身过热与低效率的问题，因此更需要限流控制来保持充电率在可控制范围内。
纹波过滤是充电器最常被忽略的重要设计元素之一。充电器的整流装置将交流电转换为60V直流电，因此随著电压脉冲通过整流器的电流便会直接送进蓄电池变压器。如果没有纹波过滤装置来顺服这些脉冲，蓄电池就会在每个脉冲之间发生微量充电/放电的循环。这些微量充电/放电循环的能量虽然相当轻微，但是每个小时算起来会发生数千次，并且累进的在蓄电池内堆积。
在确保所有优秀充电管理所需的元素都具备之後，蓄电池寿命就取决於充电/放电周期，以及电池内部的工作温度。密封铅钙电池通常能够维持颠峰状态於200次充电/放电周期（前提是放电完全再充电），而且实际状况往往比这个数字大得多。由於扩大机的使用状况在充电/放电周期内的时间较短，所以充电器会提供扩大机电源之较大需求。理论上，半放电状态会导致倍数的周期次数；不过，实际状况比较好。周期寿命会随著周期减少的程度以倍数增加，所以大部份直流供电器使用者不会将蓄电池的电力消耗殆尽。
「过热」是电池最可怕的敌人。密封铅钙电池采用封装设计，而且不是属於真正密不透风的作法，因此使用过一段时间後，水分子会由电解液中缓慢的移除并排出电池外盒。在几年以後，电池便会因为水分流失过多而开始失效。这种失效的过程，会因为电池处於极度乾燥的环境中而稍微加快速度，但温度才是真正致命的杀手。聆听空间中每一度提升的环境温度，都会对电池造成实质的伤害。因此，将扩大机这种热源与电池安装在同一只机箱内，是一种非常不明智的设计。虽说充电装置也是一种热源，不过Jeff Rowland的直流电源供应器使用了与扩大机相同的铝金属机箱，而且尽可能控制耗电程度，所以在温度方面的风险相对较低。使用者只要注意，将直流电源供应器与扩大机主体远离热传输路径，避免阳光直晒与其他热源的接近，就可以确保电池的寿命。
既然有了上述的优点，为什么SLC密封铅钙电池没有被广泛的使用呢？理由很简单，因为在同等的电力储存能力下，密封铅钙电池的售价相对比较昂贵，重量也比其他电池种类稍重一些。不过，Jeff Rowland公司认为它在多年使用期间的诸多好处，将会比售价和重量更值得我们注意。
注1：电池寿命在这里可以当作「服务年限」来讨论，也就是说二次电池（充电电池）在无法进行充电或是储存电能之前，能够提供多久、或多少次充电/放电循环周期，这点与电池的容量（能够储存多大的电能）并没有直接关联。
注2：充电管理（Charge Management）论及二次电池的充电与放电程序。绝大多数人谈到充电管理，都只会将注意力放在充电器身上，以及它如何进行充电工作；我们则是以全面性的观点，去讨论电池与器材之间的互动关系。
注3：事实上，「电池」这个字眼经常都被滥用。常见的乾电池只能被称为「Cell」，而非这里所称的「Battery」。手电筒可能采用一只电池（Battery），或是二个乾电池以上所构成的电池组；常见电晶体收音机所用的9V电池组，便是由许多个乾电池所串接在一起。
注4：氧化还原的可逆反应失效，会出现在蓄电池中的部份区间失效。蓄电池中有效区间的电流仍然走相同路径，但是会有效的回流经过失效区间，并且反相充电。当蓄电池进行充电时，可逆反应通常仍是正确的，但是原本就虚弱的区间会变得更糟。
注5：「记忆性」影响（更精确的说法应该是『电压降，Voltage Depression』）已经不再是很大的问题了。无论如何，那些差劲的电池制造商只把这个问题的影响降低了一些，而非全部解决。
注6：所有的蓄电池最终都会寿终正寝，只是有些死得比较快而已。以非充电种类的锂电池（Lithium Cell）来说，它能够在原封不动的状况下，保有90％以上的电力达十年之久。但是反观蓄电池的世界，即使是最新的成员 ─ 镍氰化物（Nickel Metal Hydrid），也会在一个月原封不动的情况下流失电力达50％。
注7：充电率通常以安培/小时的单位计算。换句话说，C/10代表的意义就是10安培/小时蓄电池的1安培充电率。
