如何设计准确的直流电源

2021年12月23日 14:18

电池测试、电化学阻抗谱和半导体测试等测试和测量应用需要准确的电流和电压输出直流电源。在环境温度变化为±5°C时,设备的电流和电压控制精度需要优于满量程的±0.02%。精度在很大程度上取决于电流感应电阻器和放大器的温漂。在本文中,您将了解不同元件如何影响系统精度,以及如何为精密直流电源的设计选择适合的元件。

输出驱动器

图1是一个电源方框图,包括输出驱动器、电流和电压感应电路、控制环路、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。输出驱动器的选择取决于输出精度、噪声和功率级。线性电源可用作低功耗(<5W)或低噪声应用的输出驱动器。功率运算放大器(op amp)具有集成式热保护和过流保护功能,适合低功耗应用。

说明: Figure 1: Typical block diagram of a DC source

1:直流电源的典型方框图

然而,由于会有功率损耗,使用输出功率更高的线性输出驱动器具有挑战性,所以您需要使用同步降压转换器实现更高的输出功率,在输出端使用大滤波器,可实现0.01%的满量程精度。例如,使用降压转换器,在5V输出范围可实现500µV的精度。您还需要确认,转换器中没有在轻负载时增大输出纹波的脉冲跳跃和二极管仿真模式。C2000实时微控制器(MCU)非常适合精密同步降压转换器电源,因为您可以在软件中禁用不想要的功能。

电流和电压感应

高精度电流分流电阻器和低漂移仪表放大器可以测量输出电流。仪表放大器的输入失调电压误差和增益误差不是问题,因为在系统校准时会考虑到这两个误差。但仪表放大器的失调电压和增益漂移、输出噪声以及增益非线性难以校准,在选择电流感应放大器时应该考虑这些误差。

公式1计算电流感应放大器的总体未调误差,如表1中所示。共模抑制比的误差相对较小,所以可以忽略它。

说明: Equation 1

在表中列出的放大器中,INA188的误差最小。误差计算使用±5°C温度变化,分别为1A和25A输出选择100mΩ和1mΩ电流电阻器。

说明: Table 1: Total unadjusted error of current-sensing amplifiers

1:电流感应放大器的总体未调误差

您可以使用差分放大器或仪表放大器非常准确地监测负载电压。放大器感应两个负载的输出电压和接地,消除因电缆中的任何压降而产生的误差。系统校准会调整放大器的失调电压和增益误差,只留下输入温漂。您可以将温漂除以满量程电压,以百万分率为单位计算漂移。例如,对于2.5V满量程和1µV/°C温漂,漂移将为0.4ppm/°C。如果您需要较低的输出电压漂移,则可以选择零漂移运算放大器(例如OPA188),其最大输入温漂为85nV/°C。但是,具有1µV/°C温漂的精密运算放大器足以满足大部分应用的需求。

ADC

在系统校准时调整ADC失调电压和增益误差。ADC的漂移和非线性引起的误差难以校准。表2将温度变化为±5°C时三个不同高精度Δ-ΣADC的误差进行了对比。在表中所列的ADC中,ADS131M02的误差最小。误差计算不包括ADC的输出噪声和电压基准误差。

说明: Table 2: Total unadjusted error of ADC

2 ADC的总体未调误差

您可以通过增大ADC的过采样率,显著减小由噪声引起的误差。低噪声(<0.23ppmp-p)和低温漂电压基准(<2ppm/°C)(例如REF70)足以满足直流电源应用的需求。在运行的0至1,000小时内,该器件仅有28ppm的长期漂移。在接下来1,000小时运行中,后续漂移显著低于28ppm。

控制环路

图2展示了电源的模拟控制环路。即使您不需要恒流输出,保留恒流环路也将有助于短路保护。恒流环路会通过降低输出电压来限制输出电流,并且电流限制可通过IREF设置进行编程。

在恒流和恒压环路之间使用二极管有助于实现恒压至恒流转换,反之亦然。多路复用器友好型运算放大器适合恒流和恒压环路,避免在开环运行时放大器输入之间发生短路。当任何控制环路处于开环状态时,运算放大器可能会在其输入引脚处产生大于0.7V的差分电压。非多路复用器友好型运算放大器在输入引脚有反向并联二极管,不允许差分电压超过二极管压降。因此,非多路复用器友好型运算放大器会增大放大器的偏置电流,可能在该电流与源阻抗相互作用时导致器件自发热和降低系统精度。

说明: Figure 2: Constant-current and constant-voltage loop schematic

2:恒流和恒压环路原理图

您还可以在C2000实时MCU内的数字域中实施控制环路。C2000实时MCU的高分辨率脉宽调制器、精密ADC和其他模拟外设可帮助减少元件和物料清单总数。C2000实时MCU产品系列包括16位和12位ADC选项。

结语

在为测试和测量应用设计直流电源时,应考虑温漂和噪声规格。如果选择低漂移放大器和ADC产品,可以实现低于0.01%的精度。

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