圖1:直流電源的典型框圖
如何設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的直流電源?
發(fā)布時(shí)間:2021-05-13 來(lái)源:TI,Shaury anand 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】諸如電池測(cè)試,電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測(cè)試之類的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。在±5°C的環(huán)境溫度變化下,設(shè)備的電流和電壓控制精度必須高于滿量程的±0.02%。精度很大程度上取決于電流檢測(cè)電阻和放大器的溫度漂移。在本文中,您將學(xué)習(xí)不同的組件如何影響系統(tǒng)精度,以及如何為精確的直流電源設(shè)計(jì)選擇合適的組件。
諸如電池測(cè)試,電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測(cè)試之類的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。在±5°C的環(huán)境溫度變化下,設(shè)備的電流和電壓控制精度必須高于滿量程的±0.02%。精度很大程度上取決于電流檢測(cè)電阻和放大器的溫度漂移。在本文中,您將學(xué)習(xí)不同的組件如何影響系統(tǒng)精度,以及如何為精確的直流電源設(shè)計(jì)選擇合適的組件。
輸出驅(qū)動(dòng)器
圖1是電源的框圖,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,噪聲和功率水平。線性電源用作低功率(<5 W)或低噪聲應(yīng)用的輸出驅(qū)動(dòng)器。具有集成式熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能的功率運(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
然而,由于功耗,使用線性輸出驅(qū)動(dòng)器來(lái)獲得更高的輸出功率是一項(xiàng)挑戰(zhàn),因此,您需要一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)獲得更高的輸出功率,通過(guò)在輸出端保留大型濾波器,它可以達(dá)到滿量程精度的0.01%。 。例如,使用降壓轉(zhuǎn)換器,5V的輸出范圍可以達(dá)到500µV的精度。您還需要確認(rèn)轉(zhuǎn)換器中沒(méi)有脈沖跳躍和二極管仿真模式,這會(huì)增加輕負(fù)載時(shí)的輸出紋波。C2000Tm值 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)槟梢越密浖胁恍枰墓δ堋?/div>
電流和電壓感應(yīng)
高精度分流電阻和低漂移儀表放大器可以測(cè)量輸出電流。無(wú)需考慮儀表放大器的輸入失調(diào)誤差和增益誤差,因?yàn)檫@兩個(gè)誤差都是在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間考慮的。儀表放大器的失調(diào)和增益漂移,輸出噪聲和增益非線性很難校準(zhǔn),但是,在選擇電流檢測(cè)放大器時(shí),應(yīng)考慮這些誤差。
公式1計(jì)算了表1所示電流檢測(cè)放大器的總未調(diào)整誤差。來(lái)自公共噪聲抑制比的誤差相對(duì)較小,您可以忽略它。
等式1
該INA188在表中列出的放大器之間的誤差最小。誤差計(jì)算使用±5°C的溫度變化,分別為1-A和25-A輸出選擇了100mΩ和1-mΩ電流電阻。
表1:電流檢測(cè)放大器的總未調(diào)整誤差
使用差分或儀表放大器使您可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)視負(fù)載電壓。放大器同時(shí)感測(cè)負(fù)載的輸出電壓和接地,以消除電纜中任何電壓降引起的誤差。系統(tǒng)校準(zhǔn)可調(diào)節(jié)放大器的失調(diào)和增益誤差,僅留下輸入失調(diào)漂移。您可以通過(guò)將失調(diào)漂移除以滿量程電壓來(lái)計(jì)算百萬(wàn)分之一的漂移。例如,在2.5V滿量程范圍和1µV /°C失調(diào)漂移的情況下,該漂移將為0.4 ppm /°C。如果需要較低的輸出電壓漂移,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。但是,對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言,1 µV /°C失調(diào)漂移精密運(yùn)算放大器就足夠了。
ADC
在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間會(huì)調(diào)整ADC失調(diào)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比較了溫度變化±5°C時(shí)三種不同的高精度delta-sigma ADC的誤差。在表中列出的ADC中,ADS131M02的誤差最小。誤差計(jì)算不包括ADC的輸出噪聲和參考電壓誤差。
表2:ADC的總未調(diào)整誤差
通過(guò)增加ADC的過(guò)采樣率,可以顯著降低噪聲引起的誤差。對(duì)于直流電源應(yīng)用而言,低噪聲(<0.23 ppm p-p) 和低漂移電壓基準(zhǔn)(<2ppm /°C)(例如REF70)就足夠了。該器件在0至1,000小時(shí)的工作時(shí)間內(nèi)僅具有28 ppm的長(zhǎng)期漂移。隨后的1,000小時(shí)內(nèi),隨后的漂移將大大低于28 ppm。
控制回路
圖2顯示了電源的模擬控制環(huán)路。即使您不需要恒定電流輸出,保持恒定電流環(huán)路也將有助于短路保護(hù)。恒流環(huán)路將通過(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。
在恒定電流和恒定電壓環(huán)路之間使用二極管有助于恒定的電壓到恒定的電流轉(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(kāi)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(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí),運(yùn)算放大器可能會(huì)在其輸入引腳上看到大于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,因此不允許差分。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)增加放大器的偏置電流,由于電流與源阻抗相互作用,可能會(huì)導(dǎo)致器件自發(fā)熱以及系統(tǒng)誤差。
圖2:恒定電流和恒定電壓環(huán)路原理圖
您還可以在C2000實(shí)時(shí)MCU內(nèi)部的數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)控制循環(huán)。C2000實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)MCU系列包括16位和12位ADC選項(xiàng)。
結(jié)論
在設(shè)計(jì)用于測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的直流電源時(shí),請(qǐng)考慮溫度漂移和噪聲規(guī)范。如果選擇低漂移放大器和ADC產(chǎn)品,則精度可能不到0.01%。
(來(lái)源:TI,作者:Shaury anand)
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