如何為精密直流電源的設(shè)計(jì)選擇適合的元件

電池測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測(cè)試等測(cè)試和測(cè)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(shí)，設(shè)備的電流和電壓控制精度需要優(yōu)于滿(mǎn)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(jì)選擇適合的元件。

輸出驅(qū)動(dòng)器

圖 1 是一個(gè)電源方框圖，包括輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的選擇取決于輸出精度、噪聲和功率級(jí)。線性電源可用作低功耗 (<5W) 或低噪聲應(yīng)用的輸出驅(qū)動(dòng)器。功率運(yùn)算放大器 (op amp) 具有集成式熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)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(huì)有功率損耗，使用輸出功率更高的線性輸出驅(qū)動(dòng)器具有挑戰(zhàn)性，所以您需要使用同步降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率，在輸出端使用大濾波器，可實(shí)現(xiàn) 0.01% 的滿(mǎn)量程精度。例如，使用降壓轉(zhuǎn)換器，在 5V 輸出范圍可實(shí)現(xiàn) 500μV 的精度。您還需要確認(rèn)，轉(zhuǎn)換器中沒(méi)有在輕負(fù)載時(shí)增大輸出紋波的脈沖跳躍和二極管仿真模式。C2000 實(shí)時(shí)微控制器 (MCU)非常適合精密同步降壓轉(zhuǎn)換器電源，因?yàn)槟梢栽谲浖薪貌幌胍墓δ堋?/p>

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(cè)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(wèn)題，因?yàn)樵谙到y(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)會(huì)考慮到這兩個(gè)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(shí)應(yīng)該考慮這些誤差。

下方公式計(jì)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(duì)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(jì)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(cè)負(fù)載電壓。放大器感應(yīng)兩個(gè)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(huì)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(mǎn)量程電壓，以百萬(wàn)分率為單位計(jì)算漂移。例如，對(duì)于 2.5V 滿(mǎn)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(yùn)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(yùn)算放大器足以滿(mǎn)足大部分應(yīng)用的需求。

ADC

在系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)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(shí)三個(gè)不同高精度 Δ-Σ ADC 的誤差進(jìn)行了對(duì)比。在表中所列的 ADC 中，ADS131M02 的誤差最小。誤差計(jì)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(guò)增大 ADC 的過(guò)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(mǎn)足直流電源應(yīng)用的需求。在運(yùn)行的 0 至 1,000 小時(shí)內(nèi)，該器件僅有 28ppm 的長(zhǎng)期漂移。在接下來(lái) 1,000 小時(shí)運(yùn)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(hù)。恒流環(huán)路會(huì)通過(guò)降低輸出電壓來(lái)限制輸出電流，并且電流限制可通過(guò) 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實(shí)現(xiàn)恒壓至恒流轉(zhuǎn)換，反之亦然。多路復(fù)用器友好型運(yùn)算放大器適合恒流和恒壓環(huán)路，避免在開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)放大器輸入之間發(fā)生短路。當(dāng)任何控制環(huán)路處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，運(yùn)算放大器可能會(huì)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(yùn)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(guò)二極管壓降。因此，非多路復(fù)用器友好型運(yùn)算放大器會(huì)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(shí)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(shí)時(shí) MCU 內(nèi)的數(shù)字域中實(shí)施控制環(huán)路。C2000 實(shí)時(shí) 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(shí)時(shí) MCU 產(chǎn)品系列包括 16 位和 12 位 ADC 選項(xiàng)。

結(jié)語(yǔ)

在為測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用設(shè)計(jì)直流電源時(shí)，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(shí)現(xiàn)低于 0.01% 的精度。

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原文標(biāo)題：技術(shù)干貨 | 如何設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的直流電源

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審核編輯:湯梓紅