如何設計一個高精度的直流電源

電池測試、電化學阻抗譜和半導體測試等測試和測量應用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。當環(huán)境溫度變化為±5°C時，器件的電流電壓控制精度需要優(yōu)于滿量程的±0.02%。精度很大程度上取決于電流檢測電阻器和放大器的溫度漂移。在本文中，您將了解不同組件如何影響系統(tǒng)精度以及如何為精密DC設計選擇合適的組件電源。

一、輸出驅動器：

圖1是電源的框圖，包括輸出驅動器、電流和電壓檢測電路、控制環(huán)路、模數(shù)轉換器(ADC)和數(shù)模轉換器(DAC)。輸出驅動器的選擇取決于輸出精度、噪聲和功率水平。線性電源可用作低功耗(<5W)或低噪聲應用的輸出驅動器。功率運算放大器（op-amp）集成了熱保護和過流保護功能，適用于小功率應用。

直流電源的典型框圖

但是，由于功率損耗，使用具有更高輸出功率的線性輸出驅動器具有挑戰(zhàn)性，因此需要使用同步降壓轉換器來實現(xiàn)更高的輸出功率，并在輸出側使用大濾波器來實現(xiàn)0.01%Full刻度精度。例如，使用降壓轉換器，可以在5V輸出范圍內實現(xiàn)500μV的精度。您還需要確認轉換器中沒有增加輕負載時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)非常適合用于精密同步降壓轉換器電源，因為您可以在軟件中禁用不需要的功能。

二、電流和電壓感應：

高精度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電壓誤差和增益誤差都不是問題，因為在校準系統(tǒng)時已將這兩個誤差考慮在內。然而，很難校準儀表放大器的失調電壓和增益漂移、輸出噪聲和增益非線性。選擇電流檢測放大器時應考慮這些誤差，

公式1計算電流檢測放大器的整體未調整誤差。如表1所示。共模抑制比的誤差比較小，可以忽略不計。

在表中列出的放大器中，INA188的誤差最小。誤差計算使用±5°C的溫度變化，并分別為1A和25A輸出選擇100mΩ和1mΩ電流電阻器。

您可以使用差分放大器或儀表放大器來非常準確地監(jiān)控負載電壓。放大器檢測兩個負載的輸出電壓和接地，從而消除由于電纜中的任何電壓降引起的誤差。系統(tǒng)校準會調整放大器的失調電壓和增益誤差。只留下輸入溫度漂移。您可以將溫度漂移除以滿量程電壓并以百萬分之幾計算漂移。例如，對于2.5V滿量程和1μV/°C溫度漂移，漂移將為0.4ppm/°C。如果需要更低的輸出電壓漂移，可以選擇零漂移運算放大器（如OPA188），其最大輸入溫度漂移為85nV/°C。然而，對于大多數(shù)應用來說，具有1μV/°C溫度漂移的精密運算放大器就足夠了。

三、ADC：

在系統(tǒng)校準期間調整ADC失調電壓和增益誤差。由ADC漂移和非線性引起的誤差很難校準。表2比較了三種不同的高精度delta-sigmaADC在溫度變化到±5°C時的誤差。在表中列出的ADC中，ADS131M02的誤差最小。誤差計算不包括ADC輸出噪聲和電壓參考誤差。

可以通過提高ADC的過采樣率來顯著降低噪聲帶來的誤差，低噪聲（<0.23ppmp-p）、低溫漂參考電壓（<2ppm/°C）（如REF70）就足夠了以滿足直流電源應用的需求。在0到1,000小時的運行時間內，該器件只有28ppm的長期漂移。在接下來的1,000小時運行中，隨后的漂移明顯低于28ppm。

四、控制回路：

圖2顯示了電源的模擬控制回路，即使您不需要恒流輸出，保持恒流回路也有助于短路保護。恒流環(huán)路通過降低輸出電壓來限制輸出電流。并且可以通過IREF設置對電流限制進行編程。

在恒流和恒壓環(huán)路之間使用二極管有助于實現(xiàn)恒壓到恒流的轉換，反之亦然。多路復用器友好型運算放大器適用于恒流和恒壓環(huán)路，可避免開環(huán)操作期間放大器輸入之間的短路。當任何控制回路處于開環(huán)狀態(tài)時，運算放大器可能會在其輸入引腳產(chǎn)生大于0.7V的差分電壓。非多路復用器友好型運算放大器在輸入引腳處有反并聯(lián)二極管，差分電壓不允許超過二極管壓降。因此，非多路復用器友好型運算放大器會增加放大器的偏置電流.當電流與源阻抗相互作用時，這可能會導致設備自熱并降低系統(tǒng)精度。

恒流恒壓回路示意圖