CN106230252B - 一种高精度大功率直流电源 - Google Patents
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Abstract
一种高精度大功率直流电源，涉及一种直流电源，具体涉及一种高精度大功率直流电源。本发明解决了现有的大功率直流电源的稳定性差的问题。本发明采用单片机电路对斩波单元进行控制实现对可调直流电压源和可调直流电流源输出的信号进行斩波，同时采用分布式电阻的方式实现电阻元件对外界的接触表面明显增大，因此热阻减小，同时采用将电阻安装在两块金属板之间，且五十六个电阻均并联，在金属板的中心点作为电路的电压或电流输出节点，当把运算放大器模拟四端电阻放在这个特殊节点处时，消除了连接导线附加电阻的影响。本发明适用于作为电源使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电源，具体涉及一种高精度大功率直流电源。
背景技术
随着我国把以电动汽车行业为代表的新能源汽车产业确立国家七大新兴支柱产业之一，以及高速铁路列车、城市轨道交通的快速发展，军用领域的航空母舰中的电磁弹射装置、激光武器的发展、潜艇的动力装置，直流大电流的精度控制要求越来越高，测试及量值传递问题日显突出；
现有电源输出600A直流标准电流源，短期稳定性优于10ppm，准确度优于20ppm，综合技术指标在国内外同类产品中处于领先水平，能够较好地完成该领域的计量检定测试工作，满足相应领域需求，为交通运输、电力传输及军工等行业的快速发展提供必要的技术支持与后勤保障。工作原理是：利用时分割技术，通过计算机程序控制，将高精度基准电压信号进行斩波分割，由于时间频率测量精度非常高，能达到10-12量级以上的精度，基准电压精度可在1—2PPM，因此，程控基准信号的精度能够达到2—5PPM，将此基准信号进行电压幅值放大，电流放大以及功率放大，通过一系列的转化，进行直流标准源稳定性的闭环反馈控制，因此，通过测量输出回路中的取样电阻上的电压变化控制输出的稳定性，取样电阻是其中的技术关键。
由于取样电阻具有负载效应，自身在不断变化，使电流源的输出很难稳定，同时还因取样电阻的量值校准的不确定度较大，因此该项目当时的技术指标确定为：准确度是在50—100PPM，对此做大量实践测量与理论分析，发现产生不确定度的原因是：运算放大器精度不够、不可预见性因素和主要由于电阻在量程变换和扩展过程中需要进行多种组合，由电阻引入产生的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的大功率直流电源的稳定性差的问题，提出了一种高精度大功率直流电源。
本发明所述的一种高精度大功率直流电源，该电源包括可调直流电流源1、可调直流电压源2、斩波单元3、电流放大单元4、电压放大单元5、电流采样单元6、电压采样单元7、闭环控制单元8和单片机控制电路9；
斩波单元3用于分别向可调直流电流源1发送直流电流斩波信号和向调直流电压源(2)发送直流电压斩波信号；将直流电流信号和直流电压信号分别分割为脉冲电流基准信号和脉冲电压基准信号；
可调直流电流源1用于接收斩波单元3发送的直流电流斩波信号，输出脉冲电流基准信号；
可调直流电压源2用于接收斩波单元3发送的直流电压斩波信号，输出脉冲电压基准信号；
电流放大单元4用于将脉冲电流基准信号放大为直流电流信号，并输出；
电压放大单元5用于将脉冲电压基准信号放大为直流电压信号，并输出；
电流采样单元6用于采集电流放大单元4输出的直流电流信号；
电压采样单元7用于采集电压放大单元5输出的直流电压信号；
闭环控制单元8用于根据电流采样单元6采集的直流电流信号或电压采样单元7采集的直流电压信号，对电流放大单元4输出的直流电流信号或电压放大单元5输出的直流电压信号进行闭环控制；
单片机控制电路9用于发送斩波控制信号，驱动斩波单元3输出斩波信号；
电流采样单元6和电压采样单元7均包括采样电路，采样电路为网状结构，第一层结构为采样电阻，该采样电阻包括五十六个阻值相同的电阻和两块面积相同的矩形金属板；所述五十六个阻值相同的电阻的两端均分别焊接在两块金属板上，且五十六个阻值相同的电阻等间隔均布在两块金属板之间；采样电阻的电流信号输入端和电流信号输出端分别位于两块金属板上，且采样电阻的输入电流经过五十六个阻值相同的电阻后输出；位于采样电阻的电流信号输出端的金属板上设有电压或电流信号引出点；所述电压或电流信号引出点位于采样电阻的电流信号输出端的金属板中心点半径为R的圆形区域内，其中，0≤R≤5mm；
第二层结构包括四个采样电阻、四个一号放大器28和一个一号加法器29，一号采样电阻24的电流信号输入端、二号采样电阻25的电流信号输入端同时与三号采样电阻26的电流信号输入端和四号采样电阻27的电流信号输入端连接，所述四个采样电阻的电流信号输入端为第二层结构的电流信号输入端；一号采样电阻24的电流信号输出端同时与二号采样电阻25的电流信号输出端、三号采样电阻26的电流信号输出端和四号采样电阻27的电流信号输出端连接，所述四个采样电阻的电流信号输出端为第二层结构的电流信号输出端，四个一号放大器28的信号输入端分别连接四个采样电阻的电压或电流信号引出点，所述四个一号放大器28输出的电压或电流信号经一号加法器29相加后输出正向电压或电流信号，一号加法器29的电压或电流信号输出端为第二层结构的正向电压信号输出端；四个采样电阻的电源负极为第二层结构的负向电压信号输出端；
第三层结构包括五个第二层结构、五个二号放大器35和一个二号加法器36，一号第二层结构30的电流信号输入端同时与二号第二层结构31的电流信号输入端、三号第二层结构32的电流信号输入端、四号第二层结构33的电流信号输入端和五号第二层结构34的电流信号输入端相连，所述五个第二层结构的电流信号输入端为第三层结构的电流信号输入端，一号第二层结构30的电流信号输出端同时与二号第二层结构31的电流信号输出端、三号第二层结构32的电流信号输出端、四号第二层结构33的电流信号输出端和五号第二层结构34的电流信号输出端相连，所述五个第二层结构的电流信号输出端为第三层结构的电流信号输出端和第三层结构的负向电压信号输出端，五个二号放大器35分别用于放大五个第二层结构输出的电压或电流信号，二号加法器36用于将五个二号放大器输出的信号相加，二号加法器36的信号输出端为第三层结构的正向电压信号输出端；
第四层结构包括三个第三层结构、三个三号放大器40和一个三号加法器41，一号第三层结构37一号第三层结构37的电流信号输入端同时与二号第三层结构38的电流信号输入端和三号第三层结构39的电流信号输入端连接，三个第三层结构的电流信号输入端为第四层结构的电流信号输入端，一号第三层结构37一号第三层结构37的电流信号输出端同时与二号第三层结构38的电流信号输出端和三号第三层结构39的电流信号输出端连接，三个第三层结构的电流信号输出端为第四层结构的电流信号输出端，且该端为第四层结构的负向电压信号输出端，三个三号放大器40分别用于放大三个第三层结构输出的电压或电流信号，三号加法器41用于将三个三号放大器40输出的信号相加，所述三号加法器41的信号输出端为第四层结构的正向电压信号输出端。
本发明采用“极低负载效应分布式采样电阻”项目中的方式方法，即采取了将一个整体电阻器件由多个温度特性相同的小型电阻元件组合而成的分布式结构，使电阻器件的工作温度处于电阻元件的零温度系数点，由于多个电阻元件对外界的接触表面明显增大，因此热阻减小；原来由一个电阻元件承担的负载分散到多个小型元件，使每个元件的负载大幅减小，因而每个元件的温升都很小；当使工作温度正好处在元件的零温度系数点时，略微的温升不会明显改变电阻值。
现有的分布式电阻的方案解决了研制采样电阻常遇到的热阻、负载效应、温度系数等三个难题。但是简单地把许多电阻元件连接在一起的分布式结构的误差是较大的。其主要原因是连接导线附加电阻对取样电阻的整体阻值有影响。本发明采用通过以上电阻安装在两块金属板之间，且五十六个电阻均并联的设计，在金属板的中心点作为电路中的特殊的节点(电压或电流引出点)，当把运算放大器模拟四端电阻放在这个特殊节点处时，连接导线附加电阻的影响就消失了。由于引入“极低负载效应分布式采样电阻”理论，通过实验数据测试可知，我们直流标准源精度提高一个数量级以上，并用实验结果证实了该方案的可行性。
本发明所述的“极低负载效应分布式采样电阻”的设计具有较高的技术指标(在10-8以上)，可作为大电流直流标准源的校准装置，解决了高准确度宽量限直流电流的校准这一困扰电学计量技术发展的难题，同时也完善了校准体系，从而达到了计量标准器具必备的溯源性的要求，提高了大功率直流电源的稳定性。
附图说明
图1是实施方式一所述的一种基于表面等离激元的温度传感器的结构示意图；
图2是实施方式一中所述的第二层结构的电路结构示意图；
图3是实施方式一中所述的第三层结构的电路结构示意图；
图4是实施方式一中所述的第四层结构的电路结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种高精度大功率直流电源，该电源包括可调直流电流源1、可调直流电压源2、斩波单元3、电流放大单元4、电压放大单元5、电流采样单元6、电压采样单元7、闭环控制单元8和单片机控制电路9；
斩波单元3用于分别向可调直流电流源1发送直流电流斩波信号和向可调直流电压源2发送直流电压斩波信号；将直流电流信号和直流电压信号分别分割为脉冲电流基准信号和脉冲电压基准信号；
可调直流电流源1用于接收斩波单元3发送的直流电流斩波信号，输出脉冲电流基准信号；
可调直流电压源2用于接收斩波单元3发送的直流电压斩波信号，输出脉冲电压基准信号；
电流放大单元4用于将脉冲电流基准信号放大为直流电流信号，并输出；
电压放大单元5用于将脉冲电压基准信号放大为直流电压信号，并输出；
电流采样单元6用于采集电流放大单元4输出的直流电流信号；
电压采样单元7用于采集电压放大单元5输出的直流电压信号；
闭环控制单元8用于根据电流采样单元6采集的直流电流信号或电压采样单元7采集的直流电压信号，对电流放大单元4输出的直流电流信号或电压放大单元5输出的直流电压信号进行闭环控制；
单片机控制电路9用于发送斩波控制信号，驱动斩波单元3输出斩波信号；
电流采样单元6和电压采样单元7均包括采样电路，采样电路为网状结构，第一层结构为采样电阻，该采样电阻包括五十六个阻值相同的电阻和两块面积相同的矩形金属板；所述五十六个阻值相同的电阻的两端均分别焊接在两块金属板上，且五十六个阻值相同的电阻等间隔均布在两块金属板之间；采样电阻的电流信号输入端和电流信号输出端分别位于两块金属板上，且采样电阻的输入电流经过五十六个阻值相同的电阻后输出；位于采样电阻的电流信号输出端的金属板上设有电压或电流信号引出点；所述电压或电流信号引出点位于采样电阻的电流信号输出端的金属板中心点半径为R的圆形区域内，其中，0≤R≤5mm；
第二层结构包括四个采样电阻、四个一号放大器28和一个一号加法器29，一号采样电阻24的电流信号输入端、二号采样电阻25的电流信号输入端同时与三号采样电阻26的电流信号输入端和四号采样电阻27的电流信号输入端连接，所述四个采样电阻的电流信号输入端为第二层结构的电流信号输入端；一号采样电阻24的电流信号输出端同时与二号采样电阻25的电流信号输出端、三号采样电阻26的电流信号输出端和四号采样电阻27的电流信号输出端连接，所述四个采样电阻的电流信号输出端为第二层结构的电流信号输出端，四个一号放大器28的信号输入端分别连接四个采样电阻的电压或电流信号引出点，所述四个一号放大器28输出的电压或电流信号经一号加法器29相加后输出正向电压或电流信号，一号加法器29的电压或电流信号输出端为第二层结构的正向电压信号输出端；四个采样电阻的电源负极为第二层结构的负向电压信号输出端；
第三层结构包括五个第二层结构、五个二号放大器35和一个二号加法器36，一号第二层结构30的电流信号输入端同时与二号第二层结构31的电流信号输入端、三号第二层结构32的电流信号输入端、四号第二层结构33的电流信号输入端和五号第二层结构34的电流信号输入端相连，所述五个第二层结构的电流信号输入端为第三层结构的电流信号输入端，一号第二层结构30的电流信号输出端同时与二号第二层结构31的电流信号输出端、三号第二层结构32的电流信号输出端、四号第二层结构33的电流信号输出端和五号第二层结构34的电流信号输出端相连，所述五个第二层结构的电流信号输出端为第三层结构的电流信号输出端和第三层结构的负向电压信号输出端，五个二号放大器35分别用于放大五个第二层结构输出的电压或电流信号，二号加法器36用于将五个二号放大器输出的信号相加，二号加法器36的信号输出端为第三层结构的正向电压信号输出端；
第四层结构包括三个第三层结构、三个三号放大器40和一个三号加法器41，一号第三层结构37一号第三层结构37的电流信号输入端同时与二号第三层结构38的电流信号输入端和三号第三层结构39的电流信号输入端连接，三个第三层结构的电流信号输入端为第四层结构的电流信号输入端，一号第三层结构37一号第三层结构37的电流信号输出端同时与二号第三层结构38的电流信号输出端和三号第三层结构39的电流信号输出端连接，三个第三层结构的电流信号输出端为第四层结构的电流信号输出端，且该端为第四层结构的负向电压信号输出端，三个三号放大器40分别用于放大三个第三层结构输出的电压或电流信号，三号加法器41用于将三个三号放大器40输出的信号相加，所述三号加法器41的信号输出端为第四层结构的正向电压信号输出端。
本实施方式采用时分割技术，通过单片机电路控制斩波单元，对高精度基准电压信号进行斩波分割，由于斩波频率精度可达10-12以上，因此可调基准信号的精度能够达到2～5ppm。
在取样电路中，由于取样电阻具有负载效应，加上在量程变换和扩展过程中需要进行多种组合，直接影响的取样信号的稳定度和准确度，为解决这个关键因素，引用“极低负载效应分布式采样电阻”技术，解决采样电阻常遇到的热阻、负载效应、温度系数等三个难题，使得整体精度得到提高。本发明采用自动控制理论，最大限度设计闭环反馈控制量，将可调基准信号的精度充分体现到输出信号中，以保证输出准确度和稳定性。“极低负载效应分布式采样电阻”具有较高的技术指标(在10-8以上)，可作为大电流直流标准源的校准装置，解决了高确度宽量限直流电流的校准这一困扰电学计量技术发展的难题。利用恒流源技术产生高压号。改变高压直流信号由交流信号转换的模式，设计可调恒流源在电阻产生压降的方法实现了直流高压输出，利用两级以上功解决功率三极管的功耗问题。率三极管串联技术解决高压下三极管耐压问题。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种高精度大功率直流电源的进一步说明，所述电压引出点位于采样电阻的电流信号输出端的金属板中心点。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种高精度大功率直流电源的进一步说明，五十六个阻值相同的电阻呈7排8列排列。
本发明是由单片机电路控制电压可调直流基准，实现输出高稳定度的基准信号，并由电流电压放大器将基准信号放大输出，取样测试电路对输出信号进行精密转换，反馈控制单元根据转换后的取样信号对仪器整体输出进行实时闭环反馈控制。
Claims (3)
1.一种高精度大功率直流电源，该电源包括可调直流电流源(1)、可调直流电压源(2)、斩波单元(3)、电流放大单元(4)、电压放大单元(5)、电流采样单元(6)、电压采样单元(7)、闭环控制单元(8)和单片机控制电路(9)；
可调直流电流源(1)用于接收斩波单元(3)发送的直流电流斩波信号，输出脉冲电流基准信号；
可调直流电压源(2)用于接收斩波单元(3)发送的直流电压斩波信号，输出脉冲电压基准信号；
斩波单元(3)用于分别向可调直流电流源(1)发送直流电流斩波信号和可向调直流电压源(2)发送直流电压斩波信号；将直流电流信号和直流电压信号分别分割为脉冲电流基准信号和脉冲电压基准信号；
电流放大单元(4)用于将脉冲电流基准信号放大为直流电流信号，并输出；
电压放大单元(5)用于将脉冲电压基准信号放大为直流电压信号，并输出；
电流采样单元(6)用于采集电流放大单元(4)输出的直流电流信号；
电压采样单元(7)用于采集电压放大单元(5)输出的直流电压信号；
闭环控制单元(8)用于根据电流采样单元(6)采集的直流电流信号或电压采样单元(7)采集的直流电压信号，对电流放大单元(4)输出的直流电流信号或电压放大单元(5)输出的直流电压信号进行闭环控制；
单片机控制电路(9)用于发送斩波控制信号，驱动斩波单元(3)输出斩波信号；
其特征在于，电流采样单元(6)和电压采样单元(7)均包括采样电路，采样电路为网状结构，第一层结构为采样电阻，该采样电阻包括五十六个阻值相同的电阻和两块面积相同的矩形金属板；所述五十六个阻值相同的电阻的两端均分别焊接在两块金属板上，且五十六个阻值相同的电阻等间隔均布在两块金属板之间；采样电阻的电流信号输入端和电流信号输出端分别位于两块金属板上，且采样电阻的输入电流经过五十六个阻值相同的电阻后输出；位于采样电阻的电流信号输出端的金属板上设有电压或电流信号引出点；所述电压或电流信号引出点位于采样电阻的电流信号输出端的金属板中心点半径为R的圆形区域内，其中，0≤R≤5mm；
第二层结构包括四个采样电阻、四个一号放大器(28)和一个一号加法器(29)，一号采样电阻(24)的电流信号输入端、二号采样电阻(25)的电流信号输入端同时与三号采样电阻(26)的电流信号输入端和四号采样电阻(27)的电流信号输入端连接，所述四个采样电阻的电流信号输入端为第二层结构的电流信号输入端；一号采样电阻(24)的电流信号输出端同时与二号采样电阻(25)的电流信号输出端、三号采样电阻(26)的电流信号输出端和四号采样电阻(27)的电流信号输出端连接，所述四个采样电阻的电流信号输出端为第二层结构的电流信号输出端，四个一号放大器(28)的信号输入端分别连接四个采样电阻的电压或电流信号引出点，所述四个一号放大器(28)输出的电压或电流信号经一号加法器(29)相加后输出正向电压或电流信号，一号加法器(29)的电压或电流信号输出端为第二层结构的正向电压信号输出端；四个采样电阻的电源负极为第二层结构的负向电压信号输出端；
第三层结构包括五个第二层结构、五个二号放大器(35)和一个二号加法器(36)，一号第二层结构(30)的电流信号输入端同时与二号第二层结构(31)的电流信号输入端、三号第二层结构(32)的电流信号输入端、四号第二层结构(33)的电流信号输入端和五号第二层结构(34)的电流信号输入端相连，所述五个第二层结构的电流信号输入端为第三层结构的电流信号输入端，一号第二层结构(30)的电流信号输出端同时与二号第二层结构(31)的电流信号输出端、三号第二层结构(32)的电流信号输出端、四号第二层结构(33)的电流信号输出端和五号第二层结构(34)的电流信号输出端相连，所述五个第二层结构的电流信号输出端为第三层结构的电流信号输出端和第三层结构的负向电压信号输出端，五个二号放大器(35)分别用于放大五个第二层结构输出的电压或电流信号，二号加法器(36)用于将五个二号放大器输出的信号相加，二号加法器(36)的信号输出端为第三层结构的正向电压信号输出端；
第四层结构包括三个第三层结构、三个三号放大器(40)和一个三号加法器(41)，一号第三层结构(37)的电流信号输入端同时与二号第三层结构(38)的电流信号输入端和三号第三层结构(39)的电流信号输入端连接，三个第三层结构的电流信号输入端为第四层结构的电流信号输入端，一号第三层结构(37)的电流信号输出端同时与二号第三层结构(38)的电流信号输出端和三号第三层结构(39)的电流信号输出端连接，三个第三层结构的电流信号输出端为第四层结构的电流信号输出端，且该端为第四层结构的负向电压信号输出端，三个三号放大器(40)分别用于放大三个第三层结构输出的电压或电流信号，三号加法器(41)用于将三个三号放大器(40)输出的信号相加，所述三号加法器(41)的信号输出端为第四层结构的正向电压信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种高精度大功率直流电源，其特征在于，所述电压引出点位于采样电阻的电流信号输出端的金属板中心点。
3.根据权利要求1所述的一种高精度大功率直流电源，其特征在于，五十六个阻值相同的电阻呈7排8列排列。
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