CN106602846A - 一种全数字恒压恒流四象限电源 - Google Patents

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郭恩全
田东
苗胜
闫永胜
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Abstract

本发明涉及一种电源，特别涉及一种全数字恒压恒流四象限电源。一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元和输出反馈单元，所述输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元依次相连，该输出反馈电路包括电流反馈电路和电压反馈电路。本发明所述一种全数字恒压恒流四象限电源，输出具有波形稳定的优点，纹波和噪声低至1.5mV，电压分辨率可达10uV，电流分辨率可达10pA，由于采用了自适应闭环控制算法，在恒压或者恒流输出时，输出电压或者电流具有极小的负载调整率，可以满足高精度、快速响应等测试测量应用场合。

Description

一种全数字恒压恒流四象限电源
技术领域
本发明涉及一种电源，特别涉及一种全数字恒压恒流四象限电源。
背景技术
在所有的研究、设计、开发和生产应用过程中，都需要提供电源的设备；在半导体验证和表征领域中，不仅需要电源设备能够进行恒压或者恒流输出，还需要能够通过检测设备所消耗的电压和电流来表征设备行为、或者测试其工作是否正常，这就要求电源设备具备四象限运行的功能，以便对受试的电气组件或半导体设备进行IV特性扫描。对于这些需求，传统的可编程电源就难以满足。因为传统的可编程电源基本分为开关电源和线性电源两种，开关电源的开关噪声极大，输出的纹波也不理想，而且开关电源无法四象限运行，即只能输出功率不能吸收功率；线性电源虽然没有开关噪声，并且输出纹波也小，但基本都采用硬件闭环控制的架构，控制参数固定，无法应对复杂多变的负载，不够灵活。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种全数字恒压恒流四象限电源。
一种全数字恒压恒流四象限电源，输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元和输出反馈单元，所述输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元依次相连，该输出反馈电路包括电流反馈电路和电压反馈电路，功率放大单元的输出端设有电阻，所述电流反馈电路与该电阻的输入、输出端分别相连，所述电压反馈电路与该电阻的输出端相连，所述电流反馈电路与电压反馈电路输出端均分别连接至输出给定与控制单元。
优选地，所述输出给定与控制单元内设有自适应闭环控制算法。
优选地，电压反馈电路包括仪表放大器、差分运放器和模数转换器，其中仪表放大器的输入端与电阻输出端相连，仪表放大器的输出端与模数转换器相连。
进一步地，电流反馈电路包括仪表放大器、差分运放器和模数转换器，其中仪表放大器的输入端与电阻的输入、输出端分别相连，仪表放大器的输出端与模数转换器相连。
优选地，所述数模转换单元包括数字模拟转换器、精密运放器和输出放大器，所述数字模拟转换器的输入端与输出给定与控制单元相连，输出端与输出放大器相连，所述精密运放器有两个，分别连接至数字模拟转换器的参考电压输入引脚上。
更进一步优选地，所述功率放大电路包括三极管，其两个输入端，一个与数模转换单元的输出端相连，一路连接电阻R433和电阻R434。
更进一步地，所述电阻R433的阻值为10K欧，所述电阻R433的阻值为20K欧。
本发明所述一种全数字恒压恒流四象限电源，将电源输出端的电流电压反馈至输入端的输出给定与控制单元中进行比较分析，经过输出给定与控制单元内的自适应闭环控制算法的对输入电流电压进行调整控制后，经功率放大单元后进行功率放大输出，输出具有波形稳定的优点，纹波和噪声低至1.5mV，电压分辨率可达10uV，电流分辨率可达10pA，由于采用了自适应闭环控制算法，在恒压或者恒流输出时，输出电压或者电流具有极小的负载调整率，可以满足高精度、快速响应等测试测量应用场合。
附图说明
图1是实施例1所述四象限电源的连接结构示意图。
图2是实施例2的电路连接结构示意图。
图3 是实施例2的数模转换单元电路图。
图4是实施例2的 功率放大单元电路图。
图5是实施例2的 输出反馈单元电路图。
具体实施方式
实施例1。
一种全数字恒压恒流四象限电源，输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元和输出反馈单元，所述输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元依次相连，该输出反馈电路包括电流反馈电路和电压反馈电路，功率放大单元的输出端设有电阻，所述电流反馈电路与该电阻的输入、输出端分别相连，所述电压反馈电路与该电阻的输出端相连，所述电流反馈电路与电压反馈电路输出端均分别连接至输出给定与控制单元。所述输出给定与控制单元内设有自适应闭环控制算法。
工作时，电源输入通过输出给定与控制单元，经调整后通过数模转化单元，将数字信号转化成模拟信号，然后经过功率放大单元放大后输出，输出反馈电路将获取到的功率放大单元的输出端的电阻的电流与电压情况输出给定与控制单元，由给定与控制单元结合输出反馈单元反馈的输出值，经给定与控制单元中的自适应闭环控制算法进行调整，发出下一控制周期的控制指令。
实施例2。
本实施例是实施例1所述四象限电源的其中一种具体实现方式。
本实施例所述数模转换单元包括数字模拟转换器、精密运放器和输出放大器，所述数字模拟转换器的输入端与输出给定与控制单元相连，输出端与输出放大器相连，所述精密运放器有两个，分别为U110A和U110B，U110A和U110B均分别连接至数字模拟转换器上。所述功率放大电路包括功率运放，其两个输入端，一个与数模转换单元的输出端相连，一路连接电阻R433和电阻R434。
所述电阻R433的阻值为10K欧，所述电阻R433的阻值为20K欧。
U110为精密运放，对正负参考电压+10V和-10V进行缓冲后接入DAC的参考输入引脚，精密运放U109为输出放大器，结合DAC内部寄存器的配置完成对数模转换单元的输出范围调节，10pF电容C161用来提高DAC的动态性能。数模转换单元的输出V2_OUT根据输入V2_IN的变化而线性变化。
功率放大单元如图4所示,图4电路中U111是实现功率放大的集成功率运放，与精密电阻R433、R434构成了同向放大电路，调节R433和R434的阻值可以对数模转换单元的放大系数进行调整，U111实现功率增强。光MOS U112控制功率运放U111的使能端进行输出的使能与禁止。功率放大单元的输出V3_OUT根据输入V2_OUT的变化而线性变化，并且输出功率也大大增强。
本实施例所述电压反馈电路包括仪表放大器U114、差分运放器U115和数模转换器U113，其中仪表放大器的输入端与电阻输出端相连，仪表放大器的输出端与数模转换器相连；电流反馈电路包括仪表放大器、差分运放器和数模转换器，其中仪表放大器的输入端与电阻输出端相连，仪表放大器的输出端与数模转换器相连。
仪表放大器U114主要作用是提高输出电压反馈电路的共模抑制比和输入阻抗，调节R440的阻值可以调整U114的增益。电阻R441、R442、R443、R444和U115构成了单端转差分电路，所述单端转差分电路。本发明可以根据所选的ADC的类型进行取舍，如果ADC为差分输入则需要，否则可以省略。调节电阻R443和R444的比值以及电阻R442和R441的比值可以对仪表放大器U114的输出信号幅值进行调整，调整的目的在于使得差分运放器U115的输出幅值满足数模转换器U113的输入信号要求。数模转换器U113输入端设有电容C489、C488、C487，上述三个电容与电阻R446、R445一起构成了低通滤波网，差分运放器U115输出的差分信号进入低通滤波网络可以减小信号噪声，还可以抑制数模转换器U113采样瞬变反射至差分运放的扰动。之后，差分信号进入数模转换器U113中进行模数转换后输出至给定与控制单元，在给定与控制单元中进行比较和分析，以便于对输入电压的调整。
电流反馈电路的工作原理与电压反馈电路原理相同。
电压反馈电路将输入的模拟电压信号与电流信号转换为输出的数值电压信号V4_OUT和数字电流I4_OUT，并将数字信号发送到输出给定与控制单元完成反馈过程。

Claims (7)

1.一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元和输出反馈单元，所述输出给定与控制单元、数模转换单元、功率放大单元依次相连，该输出反馈电路包括电流反馈电路和电压反馈电路，功率放大单元的输出端设有电阻，所述电流反馈电路与该电阻的输入、输出端分别相连，所述电压反馈电路与该电阻的输出端相连，所述电流反馈电路与电压反馈电路输出端均分别连接至输出给定与控制单元。
2.如权利要求1所述一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于：所述输出给定与控制单元内设有自适应闭环控制算法。
3.如权利要求1所述一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于：电压反馈电路包括仪表放大器、差分运放器和模数转换器，其中仪表放大器的输入端与电阻输出端相连，仪表放大器的输出端与模数转换器相连。
4.如权利要求3所述一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于：电流反馈电路包括仪表放大器、差分运放器和模数转换器，其中仪表放大器的输入端与电阻的输入、输出端分别相连，仪表放大器的输出端与模数转换器相连。
5.如权利要求1所述一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于：所述数模转换单元包括数字模拟转换器、精密运放器和输出放大器，所述数字模拟转换器的输入端与输出给定与控制单元相连，输出端与输出放大器相连，所述精密运放器有两个，分别连接至数字模拟转换器的参考电压输入引脚上。
6.如权利要求5所述一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于：所述功率放大电路包括三极管，其两个输入端，一个与数模转换单元的输出端相连，一路连接电阻R433和电阻R434。
7.如权利要求6所述一种全数字恒压恒流四象限电源，其特征在于：所述电阻R433的阻值为10K欧，所述电阻R433的阻值为20K欧。
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