如何设计准确的直流电源？
品慧电子讯诸如电池测试，电化学阻抗谱和半导体测试之类的测试和测量应用需要精确的电流和电压输出直流电源。在±5°C的环境温度变化下，设备的电流和电压控制精度必须高于满量程的±0.02％。精度很大程度上取决于电流检测电阻和放大器的温度漂移。在本文中，您将学习不同的组件如何影响系统精度，以及如何为精确的直流电源设计选择合适的组件。
诸如电池测试，电化学阻抗谱和半导体测试之类的测试和测量应用需要精确的电流和电压输出直流电源。在±5°C的环境温度变化下，设备的电流和电压控制精度必须高于满量程的±0.02％。精度很大程度上取决于电流检测电阻和放大器的温度漂移。在本文中，您将学习不同的组件如何影响系统精度，以及如何为精确的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，电流和电压感应电路，控制环路，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，噪声和功率水平。线性电源用作低功率（<5 W）或低噪声应用的输出驱动器。具有集成式热保护和过流保护功能的功率运算放大器（op amp）适用于低功率应用。
图1：直流电源的典型框图
然而，由于功耗，使用线性输出驱动器来获得更高的输出功率是一项挑战，因此，您需要一个同步降压转换器来获得更高的输出功率，通过在输出端保留大型滤波器，它可以达到满量程精度的0.01％。 。例如，使用降压转换器，5V的输出范围可以达到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。C2000Tm值 实时微控制器（MCU）非常适合精密同步降压转换器电源，因为您可以禁用软件中不需要的功能。
电流和电压感应
高精度分流电阻和低漂移仪表放大器可以测量输出电流。无需考虑仪表放大器的输入失调误差和增益误差，因为这两个误差都是在系统校准期间考虑的。仪表放大器的失调和增益漂移，输出噪声和增益非线性很难校准，但是，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所示电流检测放大器的总未调整误差。来自公共噪声抑制比的误差相对较小，您可以忽略它。
等式1
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的温度变化，分别为1-A和25-A输出选择了100mΩ和1-mΩ电流电阻。
表1：电流检测放大器的总未调整误差
使用差分或仪表放大器使您可以非常准确地监视负载电压。放大器同时感测负载的输出电压和接地，以消除电缆中任何电压降引起的误差。系统校准可调节放大器的失调和增益误差，仅留下输入失调漂移。您可以通过将失调漂移除以满量程电压来计算百万分之一的漂移。例如，在2.5V满量程范围和1µV /°C失调漂移的情况下，该漂移将为0.4 ppm /°C。如果需要较低的输出电压漂移，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。但是，对于大多数应用而言，1 µV /°C失调漂移精密运算放大器就足够了。
ADC
在系统校准期间会调整ADC失调和增益误差。ADC的漂移和非线性引起的误差很难校准。表2比较了温度变化±5°C时三种不同的高精度delta-sigma ADC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的输出噪声和参考电压误差。
表2：ADC的总未调整误差
通过增加ADC的过采样率，可以显着降低噪声引起的误差。对于直流电源应用而言，低噪声（<0.23 ppm p-p） 和低漂移电压基准（<2ppm /°C）（例如REF70）就足够了。该器件在0至1,000小时的工作时间内仅具有28 ppm的长期漂移。随后的1,000小时内，随后的漂移将大大低于28 ppm。
控制回路
图2显示了电源的模拟控制环路。即使您不需要恒定电流输出，保持恒定电流环路也将有助于短路保护。恒流环路将通过降低输出电压来限制输出电流，并且电流限制可通过IREF设置进行编程。
在恒定电流和恒定电压环路之间使用二极管有助于恒定的电压到恒定的电流转换，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，运算放大器可能会在其输入引脚上看到大于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，因此不允许差分。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，由于电流与源阻抗相互作用，可能会导致器件自发热以及系统误差。
图2：恒定电流和恒定电压环路原理图
您还可以在C2000实时MCU内部的数字域中实现控制循环。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系列包括16位和12位ADC选项。
结论
在设计用于测试和测量应用的直流电源时，请考虑温度漂移和噪声规范。如果选择低漂移放大器和ADC产品，则精度可能不到0.01％。
（来源：TI，作者：Shaury anand）
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