如何设计一个精确的直流电源

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精确的电流和电压输出直流电源。设备的电流和电压控制精度需要在 ±5°C 环境温度变化范围内优于满量程范围的 ±0.02%。精度在很大程度上取决于电流检测电阻器和放大器的温度漂移。在本文中，您将了解不同组件如何影响系统精度，以及如何为精密直流电源设计选择合适的组件。

输出驱动器

图 1 是电源的框图，包括输出驱动器、电流和电压检测电路、控制回路、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、噪声和功率电平。线性电源用作低功率 (<5 W) 或低噪声应用的输出驱动器。具有集成热保护和过流保护的功率运算放大器 (op amp)适用于低功率应用。

图 1：直流电源的典型框图

由于功耗的原因，使用线性输出驱动器获得更高的输出功率具有挑战性，因此您需要一个同步降压转换器来获得更高的输出功率，通过在输出端保持大滤波器，它可以实现 0.01% 的满量程精度. 例如，使用降压转换器，5V 输出范围可以达到 500µV 的精度。您还需要确认转换器中没有脉冲跳跃和二极管仿真模式，这会增加轻负载时的输出纹波。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需要的功能。

电流和电压检测

高精度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误差和增益误差不是问题，因为系统校准期间会考虑这两种误差。然而，仪表放大器的失调和增益漂移、输出噪声和增益非线性难以校准，在选择电流检测放大器时应考虑这些误差。

公式 1 计算了表 1 中所示的电流检测放大器的总未调整误差。共噪声抑制比的误差相对较小，您可以忽略它。

该INA188在表中列出的放大器之间的误差最小。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。

表 1：电流检测放大器的未调整总误差

使用差分或仪表放大器可以非常准确地监控负载电压。放大器检测负载的输出电压和接地电压，以消除电缆中任何压降造成的误差。系统校准调整放大器的失调和增益误差，只留下输入失调漂移。您可以通过将偏移漂移除以满量程电压来计算百万分之几的漂移。例如，在 2.5V 满量程范围和 1µV/°C 偏移漂移的情况下，漂移将为 0.4 ppm/°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，其最大输入失调漂移为 85 nV/°C。然而，1µV/°C 失调漂移精密运算放大器足以满足大多数应用的需求。

ADC

在系统校准期间调整 ADC 偏移和增益误差。ADC 的漂移和非线性引起的误差很难校准。表 2 比较了三种不同的高精度 Δ-Σ ADC 在 ±5°C 温度变化下的误差。在表中列出的 ADC 中，ADS131M02 的误差最小。误差计算不包括 ADC 的输出噪声和电压参考误差。

表 2：ADC 的总未调整误差

您可以通过增加 ADC 的过采样率来显着降低噪声误差。REF70等低噪声 (<0.23 ppm p-p ) 和低漂移电压基准 (<2ppm/°C)足以满足直流电源应用的需求。该器件在 0 到 1,000 小时的运行中只有 28 ppm 的长期漂移。在接下来的 1,000 小时内，随后的漂移将显着低于 28 ppm。

控制回路

图 2 显示了电源的模拟控制回路。即使您不需要恒流输出，保持恒流回路也有助于短路保护。恒流环路将通过降低输出电压来限制输出电流，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从恒压到恒流的转换，反之亦然。甲复用器友好运算放大器适合于恒定电流和恒定电压循环，以避免在开环操作放大器输入端之间的短路。当任何控制环路处于开环状态时，运算放大器的输入引脚上可能会出现大于 0.7 V 的差分电压。 非多路复用器友好型运算放大器在输入引脚上具有反并联二极管，这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加放大器的偏置电流，这可能会导致器件自热和系统误差，因为该电流与源阻抗相互作用。

图 2：恒流恒压环路原理图

您还可以在 C2000 实时 MCU 内的数字域中实施控制回路。C2000 实时 MCU 的高分辨率脉宽调制、精密 ADC 和其他模拟外设有助于减少组件总数和物料清单。C2000 实时 MCU 产品组合包括 16 位和 12 位 ADC 选项。

结论

在为测试和测量应用设计直流电源时，请考虑温度漂移和噪声规格。如果您选择低漂移放大器和 ADC 产品，您可以获得低于 0.01% 的准确度。