CN112147564B - 高精度直流电压源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度直流电压源，包括精确稳压控制电路，所述的精确稳压控制电路包括具有反馈输入端、基准输入端和控制输出端的低压控制电路，所述的基准输入端连接于基准电路，所述的控制输出端通过隔离电路连接于具有高压输入端和精确输出端的高压被控电路，所述的精确输出端连接有采样回路，所述采样回路的输出端连接于所述的反馈输入端。本发明能够提供高精度、高稳定性高压直流电压源，提高高精度电能表的校准精度；在常用温度范围内具有极低的温漂系数，对使用环境要求不苛刻，适用于更多的使用场景；能够实现大范围的电压按调整，且各输出电压下均能够提供稳定的输出电压。

Description

高精度直流电压源

技术领域

本发明属于电压源技术领域，尤其是涉及一种高精度直流电压源。

背景技术

随着集成电路、计算机科学技术和新兴仪表技术的发展，电表领域产生了巨大的变化，电能表技术也有了很大程度的发展。从电工式电能表校验装置到电子式再到随后出现的程控式电能表校表设备、智能式电能表校表装置，电能表校验方式越来越多，校表精度也越来越高，降低了人工因素对校验的影响，同时能对数据进行有效处理、传递和显示，很大程度上提高了对能表校验的效率。

为保证高的校表精度，需要使用昂贵的校表设备，增加了电能表生产过程中对设备的投入，间接提高了产品的成本。申请人经过多年的研究发现，一个能够提供稳定性足够高的电压源在校表过程中至关重要，甚至源能够大大降低对校表设备的要求，降低昂贵设备的需求，从而减少生产过程中对设备的投入，间接地减少产品的成本。而现有技术中的电压源普遍存在温漂系数过高，输出电压不稳，电路结构复杂，对使用环境要求较为苛刻等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种高精度直流电压源。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种高精度直流电压源，包括精确稳压控制电路，所述的精确稳压控制电路包括具有反馈输入端、基准输入端和控制输出端的低压控制电路，所述的基准输入端连接于基准电路，所述的控制输出端通过隔离电路连接于具有高压输入端和精确输出端的高压被控电路，所述的精确输出端连接有采样回路，所述采样回路的输出端连接于所述的反馈输入端。

在上述的高精度直流电压源中，所述的隔离电路包括具有发光器件和光敏半导体的隔离光耦，所述的低压控制电路包括运算放大器，所述运算放大器的输出端连接于所述隔离光耦的发光器件，所述光敏半导体的两端分别连接于所述的高压输入端和精确输出端。

在上述的高精度直流电压源中，所述光敏半导体的输入端通过电阻R8、电阻R2和电阻R1连接于所述的高压输入端，所述光敏半导体的输出端同时连接于二极管D1的正极、三极管Q1的基极和电阻R14的一端，二极管D1的负极连接在电阻R8和电阻R2之间，电阻R14远离光敏半导体的一端连接于精确输出端，三极管Q1的集电极连接于二极管D1的负极，发射极通过电阻R16连接于精确输出端；

所述的电阻R1为限流电阻；

所述的采样回路连接于电阻R14靠近精确输出端的一端。

在上述的高精度直流电压源中，所述的精确输出端通过滤波电路连接于所述的隔离电路，且所述的采样回路连接在滤波电路远离所述精确输出端的一端。

在上述的高精度直流电压源中，所述的采样回路包括电阻R21、电阻R53和电阻R45，所述电阻R21的一端连接于所述的精确输出端，另一端连接于所述的电阻R53，所述电阻R53远离电阻R21的一端连接于地端，所述电阻R45的一端连接于所述电阻R21和电阻R53的公共端，电阻R45的另一端连接于所述的反馈输入端，且所述电阻R45的两端分别通过电容C9和电容C10连接于地端。

在上述的高精度直流电压源中，所述的基准输入端连接于具有至少两个切换端的切换开关U2，且所述的基准电路通过其中一个切换端连接于所述的基准输入端，另一切换端连接于基准电压调整电路。

在上述的高精度直流电压源中，所述的基准电压调整电路包括DAC芯片，所述DAC芯片的输入端连接于所述的基准电路，所述DAC芯片的基准输出端连接于切换开关U2的一个切换端，所述DAC芯片的控制端连接于主控芯片。

在上述的高精度直流电压源中，所述DAC芯片的输入端通过电阻R3连接于所述的基准电路，且所述的DAC芯片同时通过电阻R5连接于地端。

在上述的高精度直流电压源中，所述采样回路的采样点VFB-A连接于反馈调整电路，所述的反馈调整电路连接于反馈调整控制电路。

在上述的高精度直流电压源中，所述的反馈调整电路包括多个导通通路相互并联的分压电路，每个分压电路包括相互串联的分压电阻和开关管，所述开关管的控制极连接于所述的反馈调整控制电路，多个分压电路的公共点连接于所述的采样点VFB-A；

所述的反馈调整控制电路包括具有多个选择通路的拨码开关U3，每个开关管的控制极连接于一个选择通路；

或者，所述的反馈调整控制电路包括主控芯片，每个开关管的控制极分别连接于主控芯片的八个IO端；

所述低压控制电路和高压被控电路分别由低压供电电路供电和高压供电电路供电。

本发明的优点在于：能够提供高精度、高稳定性高压直流电压源，提高高精度电能表的校准精度；在常用温度范围内具有极低的温漂系数，对使用环境要求不苛刻，适用于更多的使用场景；能够实现大范围的电压按调整，且各输出电压下均能够提供稳定的输出电压。

附图说明

图1是本发明高精度直流电压源的电路结构框图；

图2是本发明高精度直流电压源的高压供电电路图；

图3是本发明高精度直流电压源的低压供电电路图；

图4是本发明高精度直流电压源的基准电路图；

图5是本发明高精度直流电压源的基准电压调整电路图；

图6是本发明高精度直流电压源的精确稳压控制电路图；

图7是本发明高精度直流电压源的反馈调整电路图；

图8是本发明高精度直流电压源的反馈调整控制电路图；

图9是本发明高精度直流电压源在常用温度范围内的输出电压稳定性实验结果图；

图10是本发明高精度直流电压源在23.9V电压下的温度曲线图；

图11是本发明高精度直流电压源在106.56V电压下的温度曲线图；

图12是本发明高精度直流电压源在222.8V电压下的温度曲线图。

附图标记：精确稳压控制电路1；低压控制电路11；高压被控电路12；采样回路13；隔离电路14；基准电路2；基准电压调整电路3；反馈调整电路4；反馈调整控制电路5；高压供电电路6；低压供电电路7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。本实施例公开了一种高精度直流电压源，以高精度基准源为电压基准，主要通过光耦隔离驱动的方式使低压电路控制高压电路的输出，通过采样回路得到反馈电压，再与基准电压进行比较，进行补偿得到高精度、高稳定性的高压直流电压源。且本方案采用了反馈调整电路与基准电压调整电路对输出电压进行调整，可实现对更大范围内的电压进行调整。

如图1-8所示，具体方案如下：

本实施例的高精度直流电压源包括高压供电电路6、低压供电电路7、精确稳压控制电路1、基准电路2、基准电压调整电路3、反馈调整电路4和反馈调整控制电路5。

如图2所示，高压供电电路6用于提供精确稳压控制电路1高压端的供电电源，即为系统输出电压提供电源，这里提供311V电压。其中图2中的电容C20、电阻R35、电阻R36是限流电路，可以在后续电路故障时加以保护。BD2是整流桥，能将220V的交流电转化为311V的直流电，电感L1、电容C12、电容C16、电容C17、电容C18、电容C21、电阻R38、电阻R40、电阻R43、电阻R44是低频滤波电路，具有提供初步稳定电压的作用。

如图3所示，低压供电电路7是产生12V电压的电路，用于提供给基准电路2和精确稳压控制电路1的工作电压。其中BD1是整流桥，能将12v的交流电整流成直流电，电感L2、电容C13、电容C14、电阻R39共同组成了低频滤波网络，稳定了后续的电源电压，能够减少电源纹波。IC3是12V的三端稳压芯片，IC3与电容C19、电容C15、电容C23组成了12V电源电路。

如图4所示，基准电路2用于提供高稳定性6.95V电压，6.95V是基准电压器件IC2产生的电压，可以通过更换IC2为其他器件而得到其他电压。基准电路2为精确稳压控制电路1的输出提供基准参考电压。

如图5所示，基准电压调整电路3是将基准电路2产生的6.95V电压转换为0～3.475V电压的电路。便于对电源输出电压的进一步大范围精确控制。其中IC4、电容C5、电容C24、电容C25、电容C26是12V转5V的电路，主要给高精度DAC芯片IC5供电用。IC5、电阻R3、电阻R5是DAC转换电路，可将6.95V基准电源进行精确调整，输出0～3.475V的可调电压，可在这个范围内任意转换，精度为12位。高精度DAC芯片IC5的输入端通过电阻R3连接于基准电路2，同时通过电阻R5连接于地端；高精度DAC芯片IC5的基准输出端通过切换开关U2和基准电路2一起连接至精确稳压控制电路1的基准输入端，通过切换开关U2自由选择固定的6.95V电压源或0～3.475V可调电压源；高精度DAC芯片IC5的控制端DAC-DIN、DAC-SCLK、DAC-SYNC连接于主控芯片，由主控芯片控制高精度DAC芯片IC5改变输出值从而调整其输出的基准电压(0～3.475V)进而调整整个电路的输出电压。如，假设此时精确稳压控制电路1的输出电压为200V，想要得到300V电压，此时图5中V3.475-0点的电压为2V，那么可以通过调整IC5输出3V电压，从而得到300V输出电压。实现了更大范围内的电压调整。

如图6所示，精确稳压控制电路1包括具有反馈输入端、基准输入端和控制输出端的低压控制电路11，其中基准输入端连接于具有至少两个切换端的切换开关U2，基准电路2通过其中一个切换端连接于所述基准输入端，另一切换端连接于基准电压调整电路3；控制输出端通过隔离电路14连接于具有高压输入端和精确输出端的高压被控电路12，精确输出端连接有采样回路13，采样回路13的输出端连接于反馈输入端。

精确稳压控制电路1是将稳定后的311V左右的电压进行精确稳压的电路，能将输出电压精确地控制在预设的电压点上，如250V、200V、150V等输出，电压精度可达0.005％，温漂低至5ppm。其中IC1是高精度运算放大器，将反馈部分的电压和基准电路产生的6.95V电压或基准电压调整电路产生的0～3.475V可调电压进行比对，通过电阻R9、电阻R11输出给隔离光耦14，隔离光耦14是将低压部分与高压部分联系起来的器件，简化了整个电路，并提高了可靠性。U2是切换开关，可自由选择固定的6.95V和能在0～3.475V调整的可调电压源。U1、R1、R2、R8、R14、R16、D1、Q1等组成了输出电路是输出电压的执行部分，其中电阻R1起到了限流的作用，当电流大于20mA时电阻R1会进入高阻状态，使电路断开，保护设备和人员的安全。R21、R45、R53、C9、C10组成了反馈回路，将输出电压送至IC1进行处理，以达到稳定输出电压的效果。C6、C11、C7、C8、R29组成了输出滤波电路，有助于输出电压的稳定。

如图7所示，反馈调整电路4是对反馈回路直接调整的电路，其连接在采样回路的采样点VFB-A处，使电压调整刻度更为细分化，有效的提高了电压精度。具体包括多个导通通路相互并联的分压电路，如图7，每个分压电路包括相互串联的一个分压电阻R6、R7、R13、R15、R17、R19和一个开关管-MOS管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9，各MOS管的栅极分别连接于反馈调整控制电路5，各MOS管的漏极均通过各自对应的电阻连接于采样点VFB-A，源极连接于地端。图7中八个分压电路组成了八组调整电路，通过排列组合，可得到256种搭配方案，反馈调整控制电路5控制反馈调整电路4的组合方式。

如图8所示，反馈调整控制电路5可以使用具有多个选择通路的拨码开关U3，每个MOS管的栅极连接一个选择通路，如图7中第一至第八个MOS管的栅极A-H分别连接于八个选择通路的A-H对应处，拨码开关U3通过八个选择同单独的开关获得256中排列：如00000000、00000001、00000010、00000011、00000100、00000101……11111111。如闭合A点的开关可使MOGQ2导通，相当于调整了反馈回路的电阻值，从而改变VFB-A点的分压，进而改变高压被控电路12中OUT端的输出电压。

这里采用拨码开关的方式，在投入使用时，还可以使用主控芯片控制控制，此时每个MOS管的栅极分别连接于主控芯片的八个IO端口，其他能给给各MOS管施加电压的器件也可以采用。

通过本发明提供的高精度直流电压源，能给实现高稳定性，高精度的电压源，

现有技术中的直流表校表产品存在价格高、体积大、重量大等问题，而本方案提供的高精度直流电压源通过光耦隔离采用低压控制高压的方式从而简化了产品的电路，并提高了可靠性，同时使用更简短的反馈回路和更稳定转移的测试电压实现了更低成本、更好的输出表现和更稳定的控制输出等技术效果；

此外，本方案的高精度直流电压源在常温范围内具有极低的温度系数，对使用环境要求不苛刻，具有更强的抗干扰性和更多的适用场景。具体通过如图9可以看出，该方案在-12℃～70℃的区间表现出了极佳的稳定性。

并且，本方案使用基准电压和反馈电路公头调整的方案，使得可调范围大大拓宽，降低了对单一器件的要求，减少了对昂贵器件的需求及使用，使成本和性能得到的兼备。图10、图11、图12是随机几点的电压稳定性实验结果图。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所说的连接包括直接连接和间接连接。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了精确稳压控制电路1；低压控制电路11；高压被控电路12；采样回路13；隔离电路14；基准电路2；基准电压调整电路3；反馈调整电路4；反馈调整控制电路5；高压供电电路6；低压供电电路7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种高精度直流电压源，其特征在于，包括精确稳压控制电路(1)，所述的精确稳压控制电路(1)包括具有反馈输入端、基准输入端和控制输出端的低压控制电路(11)，所述的基准输入端连接于基准电路(2)，所述的控制输出端通过隔离电路(14)连接于具有高压输入端和精确输出端的高压被控电路(12)，所述的精确输出端连接有采样回路(13)，所述采样回路(13)的输出端连接于所述的反馈输入端；

所述的隔离电路(14)包括具有发光器件和光敏半导体的隔离光耦，所述的低压控制电路(11)包括运算放大器，所述运算放大器的输出端连接于所述隔离光耦的发光器件，所述光敏半导体的两端分别连接于所述的高压输入端和精确输出端；

所述光敏半导体的输入端通过电阻R8、电阻R2和电阻R1连接于所述的高压输入端，所述光敏半导体的输出端同时连接于二极管D1的正极、三极管Q1的基极和电阻R14的一端，二极管D1的负极连接在电阻R8和电阻R2之间，电阻R14远离光敏半导体的一端连接于精确输出端，三极管Q1的集电极连接于二极管D1的负极，发射极通过电阻R16连接于精确输出端；

所述的电阻R1为限流电阻；

所述的采样回路(13)连接于电阻R14靠近精确输出端的一端；

所述的采样回路(13)包括电阻R21、电阻R53和电阻R45，所述电阻R21的一端连接于所述的精确输出端，另一端连接于所述的电阻R53，所述电阻R53远离电阻R21的一端连接于地端，所述电阻R45的一端连接于所述电阻R21和电阻R53的公共端，电阻R45的另一端连接于所述的反馈输入端，且所述电阻R45的两端分别通过电容C9和电容C10连接于地端。

2.根据权利要求1所述的高精度直流电压源，其特征在于，所述的精确输出端通过滤波电路连接于所述的隔离电路(14)，且所述的采样回路(13)连接在滤波电路远离所述精确输出端的一端。

3.根据权利要求1所述的高精度直流电压源，其特征在于，所述的基准输入端连接于具有至少两个切换端的切换开关U2，且所述的基准电路(2)通过其中一个切换端连接于所述的基准输入端，另一切换端连接于基准电压调整电路(3)。

4.根据权利要求3所述的高精度直流电压源，其特征在于，所述的基准电压调整电路(3)包括DAC芯片，所述DAC芯片的输入端连接于所述的基准电路(2)，所述DAC芯片的基准输出端连接于切换开关U2的一个切换端，所述DAC芯片的控制端连接于主控芯片。

5.根据权利要求4所述的高精度直流电压源，其特征在于，所述DAC芯片的输入端通过电阻R3连接于所述的基准电路(2)，且所述的DAC芯片同时通过电阻R5连接于地端。

6.根据权利要求1所述的高精度直流电压源，其特征在于，所述采样回路(13)的采样点VFB-A连接于反馈调整电路(4)，所述的反馈调整电路(4)连接于反馈调整控制电路(5)。

7.根据权利要求6所述的高精度直流电压源，其特征在于，所述的反馈调整电路(4)包括多个导通通路相互并联的分压电路，每个分压电路包括相互串联的分压电阻和开关管，所述开关管的控制极连接于所述的反馈调整控制电路(5)，多个分压电路的公共点连接于所述的采样点VFB-A；

所述的反馈调整控制电路(5)包括具有多个选择通路的拨码开关U3，每个开关管的控制极连接于一个选择通路；

或者，所述的反馈调整控制电路(5)包括主控芯片，每个开关管的控制极分别连接于主控芯片的八个IO端；

所述低压控制电路(11)和高压被控电路(12)分别由低压供电电路(7)供电和高压供电电路(6)供电。