如何設(shè)計一個精確的直流電源

時間：2021-09-08 14:57:21

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[導(dǎo)讀]電池測試、電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測試等測試和測量應(yīng)用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。設(shè)備的電流和電壓控制精度需要在 ±5°C 環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)優(yōu)于滿量程范圍的 ±0.02%。精度在很大程度上取決于電流檢測電阻器和放大器的溫度漂移。在本文中，您將了解不同組件如何影響系統(tǒng)精度，以及如何為精密直流電源設(shè)計選擇合適的組件。

電池測試、電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測試等測試和測量應(yīng)用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。設(shè)備的電流和電壓控制精度需要在 ±5°C 環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)優(yōu)于滿量程范圍的 ±0.02%。精度在很大程度上取決于電流檢測電阻器和放大器的溫度漂移。在本文中，您將了解不同組件如何影響系統(tǒng)精度，以及如何為精密直流電源設(shè)計選擇合適的組件。

輸出驅(qū)動器

圖 1 是電源的框圖，包括輸出驅(qū)動器、電流和電壓檢測電路、控制回路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。輸出驅(qū)動器的選擇取決于輸出精度、噪聲和功率電平。線性電源用作低功率 (<5 W) 或低噪聲應(yīng)用的輸出驅(qū)動器。具有集成熱保護(hù)和過流保護(hù)的功率運(yùn)算放大器 (op amp)適用于低功率應(yīng)用。

圖 1：直流電源的典型框圖

由于功耗的原因，使用線性輸出驅(qū)動器獲得更高的輸出功率具有挑戰(zhàn)性，因此您需要一個同步降壓轉(zhuǎn)換器來獲得更高的輸出功率，通過在輸出端保持大濾波器，它可以實現(xiàn) 0.01% 的滿量程精度. 例如，使用降壓轉(zhuǎn)換器，5V 輸出范圍可以達(dá)到 500μV 的精度。您還需要確認(rèn)轉(zhuǎn)換器中沒有脈沖跳躍和二極管仿真模式，這會增加輕負(fù)載時的輸出紋波。C2000 實時微控制器 (MCU) 非常適合精密同步降壓轉(zhuǎn)換器電源，因為您可以在軟件中禁用不需要的功能。

電流和電壓檢測

高精度分流電阻器和低漂移儀表放大器可以測量輸出電流。儀表放大器的輸入失調(diào)誤差和增益誤差不是問題，因為系統(tǒng)校準(zhǔn)期間會考慮這兩種誤差。然而，儀表放大器的失調(diào)和增益漂移、輸出噪聲和增益非線性難以校準(zhǔn)，在選擇電流檢測放大器時應(yīng)考慮這些誤差。

公式 1 計算了表 1 中所示的電流檢測放大器的總未調(diào)整誤差。共噪聲抑制比的誤差相對較小，您可以忽略它。

該INA188在表中列出的放大器之間的誤差最小。誤差計算使用 ±5°C 溫度變化，分別為 1A 和 25A 輸出選擇 100mΩ 和 1mΩ 電流電阻器。

表 1：電流檢測放大器的未調(diào)整總誤差

使用差分或儀表放大器可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)控負(fù)載電壓。放大器檢測負(fù)載的輸出電壓和接地電壓，以消除電纜中任何壓降造成的誤差。系統(tǒng)校準(zhǔn)調(diào)整放大器的失調(diào)和增益誤差，只留下輸入失調(diào)漂移。您可以通過將偏移漂移除以滿量程電壓來計算百萬分之幾的漂移。例如，在 2.5V 滿量程范圍和 1μV/°C 偏移漂移的情況下，漂移將為 0.4 ppm/°C。如果您需要較低的輸出電壓漂移，則可以選擇零漂移運(yùn)算放大器，例如 OPA188，其最大輸入失調(diào)漂移為 85 nV/°C。然而，1μV/°C 失調(diào)漂移精密運(yùn)算放大器足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

ADC

在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間調(diào)整 ADC 偏移和增益誤差。ADC 的漂移和非線性引起的誤差很難校準(zhǔn)。表 2 比較了三種不同的高精度 Δ-Σ ADC 在 ±5°C 溫度變化下的誤差。在表中列出的 ADC 中，ADS131M02 的誤差最小。誤差計算不包括 ADC 的輸出噪聲和電壓參考誤差。

表 2：ADC 的總未調(diào)整誤差

您可以通過增加 ADC 的過采樣率來顯著降低噪聲誤差。REF70等低噪聲 (<0.23 ppm p-p ) 和低漂移電壓基準(zhǔn) (<2ppm/°C)足以滿足直流電源應(yīng)用的需求。該器件在 0 到 1,000 小時的運(yùn)行中只有 28 ppm 的長期漂移。在接下來的 1,000 小時內(nèi)，隨后的漂移將顯著低于 28 ppm。

控制回路

圖 2 顯示了電源的模擬控制回路。即使您不需要恒流輸出，保持恒流回路也有助于短路保護(hù)。恒流環(huán)路將通過降低輸出電壓來限制輸出電流，電流限制可通過 IREF 設(shè)置進(jìn)行編程。

在恒流和恒壓環(huán)路之間使用二極管有助于從恒壓到恒流的轉(zhuǎn)換，反之亦然。甲復(fù)用器友好運(yùn)算放大器適合于恒定電流和恒定電壓循環(huán)，以避免在開環(huán)操作放大器輸入端之間的短路。當(dāng)任何控制環(huán)路處于開環(huán)狀態(tài)時，運(yùn)算放大器的輸入引腳上可能會出現(xiàn)大于 0.7 V 的差分電壓。非多路復(fù)用器友好型運(yùn)算放大器在輸入引腳上具有反并聯(lián)二極管，這不允許差分電壓超過二極管壓降。因此，非多路復(fù)用器友好型運(yùn)算放大器會增加放大器的偏置電流，這可能會導(dǎo)致器件自熱和系統(tǒng)誤差，因為該電流與源阻抗相互作用。

圖 2：恒流恒壓環(huán)路原理圖

您還可以在 C2000 實時 MCU 內(nèi)的數(shù)字域中實施控制回路。C2000 實時 MCU 的高分辨率脈寬調(diào)制、精密 ADC 和其他模擬外設(shè)有助于減少組件總數(shù)和物料清單。C2000 實時 MCU 產(chǎn)品組合包括 16 位和 12 位 ADC 選項。