CN105652934A - 提高程控直流电源精度的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子测量仪器领域，具体说是一种提高程控直流电源精度的系统。本发明的提高程控直流电源精度的系统，包括交流输入模块、交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块、MCU控制模块、人机界面模块、通信接口模块，交流输入模块依次通过交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块后连接MCU控制模块，MCU控制模块连接人机界面模块、通信接口模块。本发明的提高程控直流电源精度的系统，可明显提高数字程控电源设置电压、电流精度和输出电压、电流精度。

Description

提高程控直流电源精度的系统

技术领域

本发明属于电子测量仪器领域，具体说是一种提高程控直流电源精度的系统。

背景技术

直流电源是各种电子设备不可缺少的组成部分，其性能对整个电子系统具有重要的影响，目前在各种仪器和系统应用中，普通多路电压输出的直流电源具有广泛的选择余地，而且质量和性能都有充分的保障，价格也比较合理。

但是我国精密数字程控电源与欧美发达国家相比，存在着一定的差距：在产品的质量、可靠性、生产规模、工艺水平、检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面都存在着一定的不足。尤其在高精度、大容量数字程控直流稳压电源方面的研究不是很多。精密数字程控电源是在MCU控制下，通过面板和外部接口来设定电源输出电压、输出电流的数值以及各种输出状态。输出量值不仅十分稳定而且非常精确。就控制形式可分为三种方式：电阻分压式、脉冲调制式和DA转换式。在自动化测试系统中常常要求以很高的编程速度来实现高精度的输出值，高分辨率DA转换型的数字程控直流电源可以满足该要求。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种提高程控直流电源精度的系统，其通过对模数转换器主要电参数选择和高精度参考稳压源选择，可明显提高数字程控电源设置电压、电流精度和输出电压、电流精度。。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括交流输入模块、交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块、MCU控制模块、人机界面模块、通信接口模块，交流输入模块依次通过交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块后连接MCU控制模块，MCU控制模块连接人机界面模块、通信接口模块。

稳压稳流电路控制模块包括稳压控制通道、稳流控制通道、稳压稳流选择电路、功率放大器，稳压控制通道包括DA转换器、低通滤波器、运算放大器、误差放大器、电压采样，稳流控制通道包括DA转换器、低通滤波器、运算放大器、误差放大器、电流采样。

其中，DA转换器采用AD5545型号。运算放大器采用OP2177型号。

本发明的提高程控直流电源精度的系统，可明显提高数字程控电源设置电压、电流精度和输出电压、电流精度。

附图说明

图1程控直流电源硬件组成框图

图2程控直流电源监控软件模块框图

图3程控直流电源稳压稳流控制电路框图

图4精密程控直流电源稳压控制电路

具体实施方式

本发明的提高程控直流电源精度的系统，包括交流输入模块、交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块、MCU控制模块、人机界面模块、通信接口模块，交流输入模块依次通过交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块后连接MCU控制模块，MCU控制模块连接人机界面模块、通信接口模块。

1、DA转换器的选择

对于精密数控直流电源的输出电压设定精度，DA转换器的选择十分重要，本电路选择美国AD公司AD5545

(1)DA转换器分辨率：分辨率直接决定所设计出的数控电源的最小可调步进值，设计输出电压范围为0至32V，最小步进值为1mV的程控电源，那么应该至少选择15位的DA转换器。因为将32V分成32000份以上才能获得1mV的步进精度。AD5545DA转换器的分辨率是16位。最小步进值小于0.5mV。

(2)DA转换器转换误差：所有的DA转换器都存在转换误差的问题，转换误差将导致程控电源输出的非线性和显示不准确性，该参数的选择取决于对数控电源的精度要求。AD5545DA转换器的转换误差为1LSB和2INL。此外，将程控直流电源的输出通过AD转换器采样后的数值，送入MCU做软件上的反馈校正,可大大提高数控电源的输出精度。

(3)DA转换器输出噪声：和运放一样，DA转换器的输出信号都伴有噪声。DA转换器的输出噪声将直接导致数控电源输出端产生噪声。如果要求低噪声型的程控电源，那么就应该选择低噪声型的DA转换器。AD公司的16位DA转换器AD5545，其输出噪声为12nV/Hz。另外在DA转换器的电源和地之间必须并上2个滤波电容，一般取10uF和0.1uF电容。它能够很大程度上减小DA转换器的输出噪声。

2、低通滤波器

即使选择低噪声型的DA转换器，在其输出仍会有电压噪声，所以一般都在DA转换器和电压放大器之间以及电压放大器与误差放大器之间串上RC低通滤波器。(如图2的R1、C1，R4、C2)电阻R1R4取10K。理论上电容C值越大，滤波效果越好，但是过大的电容将增大电压建立的时间，另外,容值较大的电容特别是电解电容的等效电感很大，影响滤波效果，一般取1uF以下介质损耗小的X7R瓷片贴片电容。

3、运放的选择

运放在该电路中起着电压放大和误差比较放大的作用，运放的选择直接决定程控电源的性能和精度。因此要仔细的选择运放的参数。运放的参数分直流参数和交流参数，其中直流参数包括失调电压(电流)、温漂、电压输入输出范围等，交流参数包括带宽、压摆率、噪声等。

直流参数：

(1)失调电压(电流)：它直接决定直流电压的放大精度，失调电压(电流)越大，放大的误差就越大，而该误差随放大倍数的增大而增大，例如失调电压为1mV的运放，设计成放大倍数为10倍的放大器，其放大误差将为10mV左右。放大器的放大误差将直接导致数控电源输出误差。图4中运放OP1A用作电压放大器，一般其放大倍数较大，因此对失调电压的要求较高，普通运放的失调电压都在几十uV到几mV不等，如果要设计高精度数控电源可以选择低失调电压的运放。本电路OP1A采用TI公司OP2177失调电压为60uV、失调电流为0.2nA。

(2)温漂：所有的运放都存在温漂的问题，即放大精度随温度的升高而减小，此参数的选择取决于所设计电路的工作环境，如果机内温度变化较大，应选择温漂较小的运放。OP2177温漂为0.7uV/℃。

直流交流参数：

(1)带宽：虽然精密数控直流电源整个系统是一个直流系统，但是良好的频率响应能够增加系统的纹波抑制能力，尤其是图4中OP1B运放，由于该运放用作误差放大器，随时校正系统的输出电压，因此该运放应该拥有良好的交流特性，而该运放工作在电压跟随状态，带宽较低其直流特性可能稍差。所以，选择一个带宽较宽的运放，能够大大减小程控电源输出电压噪声。OP2177带宽为1.3MHz。

(2)压摆率：带宽主要针对小信号，而压摆率则针对大信号，高的压摆率能够减小电压的建立时间，更重要的，高的压摆率能在负载发生变化时迅速响应，使得系统有很好的抗扰动性能，使输出电压有更好的交流特性。本电路选择安森美公司LM301压摆率为10V/uS。：

(3)噪声：所有的运放放大时都会伴有噪声输出，不同的运放其噪声大小不同。运放的噪声将直接导致程控直流电源输出噪声。因此如果设计低噪声型的程控直流电源，有必要选择低噪声的运放。本电路OP2177电压噪声为7.9nV/Hz。另外在运放的电源和地之间并上一个10uF左右的电解电容和0.1uF左右的瓷电容将能很大程度减小噪声，并有利于运放的正常工作。

4、功率放大器调整管的选择

程控直流电源使用的调整管，为功率晶体管和功率场效应管。调整管的性能将会直接影响程控电源输出电压范围，输出噪声，交流特性等性能。因此必须慎重选择调整管。

晶体管调整管：

晶体管调整管是电流控制型器件，其结电容效应微乎其微，因此其动态响应性能较好，使得系统的噪声抑制能力、交流特性都较好。但它却存在两个问题：

(1)输出电压范围的问题：所有的晶体管在饱和导通时，集电极和发射极之间都会存在一定的压降，而且此压降随集电极电流增大而增大，如2SD1047E在集电极电流为3A时集电极和发射极之间的压降为3V。采用晶体管调整管会导致数控电源的输出的电压和供电电压压差较大，即存在晶体调整管功耗较高。

(2)由于晶体管是电流控制型器件，因此它放大时会对运放吸入一定的电流，且该电流等于程控电源的输出电流除以晶体管调整管的放大倍数。一般运放只能输出数十毫安的电流，而且在输出数十毫安的电流的情况下，运放的性能急剧下降。所以，设计时必须保证晶体管有足够高的放大倍数，如数控直流电源需输出5A的电流，必须保证晶体管的放大倍数大于200。但是往往普通功率晶体管难以达到如此高的放大倍数，因此需选择达林顿复合管。

场效应管是压控型器件，在源极接负载将引入深度负反馈，导致场效应管不能良好导通，因此不能使用N沟通场效应管，而使用P沟道场效应管。场效应管不存在压降问题，它本身只有一个等效导通电阻，而一般这个等效导通电阻都较小。如果配合轨至轨运放，利用场效应管能够设计出输出电压范围很宽的程控电源。

但是，场效应管存在较大结电容，此结电容大大降低了场效应管的响应速度，导致场效应管在整个系统中形成一个纯滞后环节，降低了系统的响应速度，从而降低了数控电源的纹抑制能力和交流特性。

因此，选择场效应管作调整管时，应该选择等效电阻和结电容都较小的功率场效应管。本电路选择功率场效应管为IRFP150N，其输出电容为420p、导通电阻为0.03Ω(电流为5A)。

采用以上方法设计的精密程控多路直流电源，最大电压64V,最大电流6A其电压、电流设置分辨率为0.5mV、0.5mA。电压输出精度为0.01％+2mV,电流输出精度为0.01％+250uA。

对于本领域的技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看做是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附属的权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限定所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种提高程控直流电源精度的系统，其特征在于，包括交流输入模块、交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块、MCU控制模块、人机界面模块、通信接口模块，交流输入模块依次通过交直流转换模块、稳压稳流电路控制模块、数模转换模块、模数转换模块后连接MCU控制模块，MCU控制模块连接人机界面模块、通信接口模块。

2.根据权利要求1所述的提高程控直流电源精度的系统，其特征在于，稳压稳流电路控制模块包括稳压控制通道、稳流控制通道、稳压稳流选择电路、功率放大器，稳压控制通道包括DA转换器、低通滤波器、运算放大器、误差放大器、电压采样，稳流控制通道包括DA转换器、低通滤波器、运算放大器、误差放大器、电流采样。

3.根据权利要求2所述的提高程控直流电源精度的系统，其特征在于，DA转换器采用AD5545型号。

4.根据权利要求2所述的提高程控直流电源精度的系统，其特征在于，运算放大器采用OP2177型号。