如何設(shè)計準(zhǔn)確的直流電源

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)用需要準(zhǔn)確的電流和電壓輸出直流電源。在環(huán)境溫度變化為±5°C時，設(shè)備的電流和電壓控制精度需要優(yōu)于滿量程的±0.02%。精度在很大程度上取決于電流感應(yīng)電阻器和放大器的溫漂。在本文中，您將了解不同元件如何影響系統(tǒng)精度，以及如何為精密直流電源的設(shè)計選擇適合的元件。

輸出驅(qū)動器

圖1是一個電源方框圖，包括輸出驅(qū)動器、電流和電壓感應(yīng)電路、控制環(huán)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、噪聲和功率級。線性電源可用作低功耗(<5W)或低噪聲應(yīng)用的輸出驅(qū)動器。功率運算放大器 (op amp) 具有集成式熱保護和過流保護功能，適合低功耗應(yīng)用。

圖1 直流電源的典型方框圖

然而，由于會有功率損耗，使用輸出功率更高的線性輸出驅(qū)動器具有挑戰(zhàn)性，所以您需要使用同步降壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)更高的輸出功率，在輸出端使用大濾波器，可實現(xiàn)0.01%的滿量程精度。例如，使用降壓轉(zhuǎn)換器，在5V輸出范圍可實現(xiàn)500μV的精度。您還需要確認(rèn)，轉(zhuǎn)換器中沒有在輕負(fù)載時增大輸出紋波的脈沖跳躍和二極管仿真模式。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想要的功能。

電流和電壓感應(yīng)

高精度電流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)電壓誤差和增益誤差不是問題，因為在系統(tǒng)校準(zhǔn)時會考慮到這兩個誤差。但儀表放大器的失調(diào)電壓和增益漂移、輸出噪聲以及增益非線性難以校準(zhǔn)，在選擇電流感應(yīng)放大器時應(yīng)該考慮這些誤差。

公式1計算電流感應(yīng)放大器的總體未調(diào)誤差，如表1中所示。共模抑制比的誤差相對較小，所以可以忽略它。

在表中列出的放大器中，INA188 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 電流感應(yīng)放大器的總體未調(diào)誤差

您可以使用差分放大器或儀表放大器非常準(zhǔn)確地監(jiān)測負(fù)載電壓。放大器感應(yīng)兩個負(fù)載的輸出電壓和接地，消除因電纜中的任何壓降而產(chǎn)生的誤差。系統(tǒng)校準(zhǔn)會調(diào)整放大器的失調(diào)電壓和增益誤差，只留下輸入溫漂。您可以將溫漂除以滿量程電壓，以百萬分率為單位計算漂移。例如，對于 2.5V 滿量程和 1μV/°C 溫漂，漂移將為 0.4ppm/°C。如果您需要較低的輸出電壓漂移，則可以選擇零漂移運算放大器（例如 OPA188），其最大輸入溫漂為 85nV/°C。但是，具有 1μV/°C 溫漂的精密運算放大器足以滿足大部分應(yīng)用的需求。

此ADC

在系統(tǒng)校準(zhǔn)時調(diào)整ADC失調(diào)電壓和增益誤差。ADC的漂移和非線性引起的誤差難以校準(zhǔn)。表2將溫度變化為±5°C時三個不同高精度Δ-Σ ADC的誤差進行了對比。在表中所列的ADC中，ADS131M02的誤差最小。誤差計算不包括ADC的輸出噪聲和電壓基準(zhǔn)誤差。

表2 ADC的總體未調(diào)誤差

您可以通過增大ADC的過采樣率，顯著減小由噪聲引起的誤差。低噪聲 (<0.23ppmp-p) 和低溫漂電壓基準(zhǔn) (<2ppm/°C)（例如 REF70）足以滿足直流電源應(yīng)用的需求。在運行的0至1,000小時內(nèi)，該器件僅有28ppm的長期漂移。在接下來1,000小時運行中，后續(xù)漂移顯著低于28ppm。

控制環(huán)路

圖2展示了電源的模擬控制環(huán)路。即使您不需要恒流輸出，保留恒流環(huán)路也將有助于短路保護。恒流環(huán)路會通過降低輸出電壓來限制輸出電流，并且電流限制可通過IREF設(shè)置進行編程。

在恒流和恒壓環(huán)路之間使用二極管有助于實現(xiàn)恒壓至恒流轉(zhuǎn)換，反之亦然。多路復(fù)用器友好型運算放大器適合恒流和恒壓環(huán)路，避免在開環(huán)運行時放大器輸入之間發(fā)生短路。當(dāng)任何控制環(huán)路處于開環(huán)狀態(tài)時，運算放大器可能會在其輸入引腳處產(chǎn)生大于0.7V的差分電壓。非多路復(fù)用器友好型運算放大器在輸入引腳有反向并聯(lián)二極管，不允許差分電壓超過二極管壓降。因此，非多路復(fù)用器友好型運算放大器會增大放大器的偏置電流，可能在該電流與源阻抗相互作用時導(dǎo)致器件自發(fā)熱和降低系統(tǒng)精度。

圖2 恒流和恒壓環(huán)路原理圖

您還可以在C2000實時MCU內(nèi)的數(shù)字域中實施控制環(huán)路。C2000實時MCU的高分辨率脈寬調(diào)制器、精密ADC和其他模擬外設(shè)可幫助減少元件和物料清單總數(shù)。C2000實時MCU產(chǎn)品系列包括16位和12位ADC選項。

結(jié)語

在為測試和測量應(yīng)用設(shè)計直流電源時，應(yīng)考慮溫漂和噪聲規(guī)格。如果選擇低漂移放大器和ADC產(chǎn)品，可以實現(xiàn)低于0.01%的精度。