CN112953171A - 一种基于直流电阻测量的高精度电源及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流电阻测量的高精度电源，包括系统电源，所述系统电源连接MCU系统、基准电压产生电路、基准电流产生电路、电流档位切换电路、电流采样电路、功率放大电路的电源接口；本发明还公开了一种基于直流电阻测量的高精度电源的实现方法，包括设置功能模块、对EMI滤波电路单元改进、对PWM控制器单元的改进等步骤。本发明利用输出采样实现闭环控制，使输出的电流值保持稳定，具有精度高，高达0.5‰，低温漂、具有5个档位、成本低等优点，可以满足绝大多数直流电阻测试仪器的使用。

Description

一种基于直流电阻测量的高精度电源及其实现方法

技术领域

本发明涉及测试直流电阻技术领域，尤其涉及一种基于直流电阻测量的高精度电源及其实现方法。

背景技术

小电阻在各种电器设备中随处可见，像电力电缆、通讯电缆、断路器、继电器、电机和变压器等设备的接触电阻，这些电阻阻值相当小，可达到毫欧姆数量级，本来就很不容易测量，再加上温度的变化也会影响电阻的阻值，当测量时间过长、电源供电太久都有可能造成所测的电阻值随着温度的增加而偏高，这些情况在实际应用中都有可能造成很大的偏差，从而影响测量结果。微小电阻的测量是电子测量中的一个常见课题，它具有十分重要的意义，在工程实践中，经常需要测定某些高导材料的电阻率，在科学研究中，也常常把电阻率测量当成一种对材料的结构和物态变化进行监测的手段。

近几十年来，计量仪器广泛应用于工业生产和人民生活的各个领域。特别是在利用了具有现代数字技术的仪器仪表之后，将模拟仪器仪表的准确性、分辨率与测量速度提高了几个数量级，为将来的测试自动化打下了良好的基础。现代数字技术特别是计算机的引入，使仪器的功能从个别参量的测量转变成整个系统特征参数的测量，从单方面的只接受显示转变为多方面的控制、分析、处理、计算与显示输出，从只用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。数字式直流电阻测试仪是一种广泛应用于各种变压器、开关、互感器以及其它电气设备电流负载试验的一种智能化仪器，它适用于测量各种产品的直流微电阻阻值,是取代直流单、双臂电桥的高精度换代产品，具有精度高、测试速度快、稳定性好等特点。

但其关键核心部件就是高精度电源，目前市面上目前高精度电源的成本高、电流不稳、电流档位不够、精度不够、温漂大等问题，不能满足电阻测试使用时的高精度应用。

发明内容

为解决市面前高精度电源的成本高、电流不稳、电流档位不够、精度不够、温漂大等问题，而设计发明的一种高精度电源，具有精度高，高达0.5‰，低温漂、具有5个档位、成本低等优点，可以满足绝大多数直流电阻测试仪器的使用。

本发明是这样实现的：一种基于直流电阻测量的高精度电源，包括系统电源，系统电源连接MCU系统、基准电压产生电路、基准电流产生电路、电流档位切换电路、电流采样电路、功率放大电路的电源接口；MCU系统连接电流采样电路，通过采样电阻两端的电压，计算出电流值；MCU系统连接电流档位切换电路，为档位切换提供控制信号；MCU系统连接基准电压产生电路，用于调整基准电压产生电路输出的电压值；基准电压产生电路连接基准电流产生电路，为基准电流产生电路提供所需电压；基准电压产生电路连接电流采样电路，为电流采样电路的AD提供电压基准；基准电流产生电路连接功率放大电路；电流档位切换电路连接基准电流产生电路，用于调整基准电流的大小。

优选地，系统电源输出5路电压值，系统电源的变压器是7抽头变压器，变压器输出经过整流电路，输出给电源芯片，输出需要的电压值。

优选地，电流档位切换电路共包含5个档位，5个档位分别是10A、5A、1A、0.5A、0.1A档位，5个档位一一对应采用5个继电器来实现，继电器由MCU系统控制。

优选地，基准电流产生电路由精密运算放大器、分流电阻实现。

优选地，MCU系统根据电流采样电路的值，调整基准电压，使电流输出稳定，从而实现电流自动校准。

优选地，电流采样电路采用温度系数控制。

本发明还公开了上述基于直流电阻测量的高精度电源的实现方法，包括如下步骤：

步骤一、按照系统电源设计方案设置功能模块，功能模块包括：前级保护电路单元、EMI滤波电路单元、整流滤波电路单元、功率变换单元、PWM控制器单元、保护电路单元、输出整流滤波电路单元和反馈电路单元；

步骤二、对EMI滤波电路单元改进：电源线在接入EMI滤波器前，负载上的噪声电压大小为U₁；而接入EMI滤波器后，输出负载上的噪声电压变为U₂，可计算出其插入损耗为：

同时，该EMI滤波器此时对地漏电流的大小计算得：

I_LD＝2πfCU_C

其中，I_LD表示对地漏电流大小，而f表示的是当前的电网频率大小；

假设EMI滤波要实现的衰减量大小是y，首先可以通过下式来计算该滤波器转折频率f_c的大小：

其中，在公式中：f_c表示在应用中希望得到的转折频率的大小，而f_sw则表示当前电源的工作频率大小；

由f_c的结果我们可计算出需要的滤波器的电感电容的参数：

按照上述参数要求，可计算出最佳的EMI工作参数；

步骤三、对PWM控制器单元的改进，脉宽调制是通过改变电源功率开关的接通时间来调节输出信号，同时保持电源功率开关的工作频率不变；脉冲频率调制是通过改变电源功率开关的工作频率来调节输出信号，但保持电源开关的接通时间不变；脉冲跨周期调制的调制方式则是指通过即保持功率开关管的工作频率不变，也保持其导通时间不变的条件下，比较输出端的信号大小和设定值的大小，来决定电源的功率开关管需要的控制脉冲信号的连续；

忽略线路的电阻，可以得到系统在一个开关周期内的动态方程：

其中，i_c直流电源的输出电流，V_DC1是初级直流电压，V_DC2是次级直流电压，L_m是滤波电抗器，td是一周期内的开通时间，T是采样周期；

由于开关频率很高，因此，能够认为在一个开关周期内初级电压和次级电压为常数，通过电流峰值模型，可以得到线性控制规律，计算出td的时间：

采用线性峰值电流补偿控制方法和非线性平均电流补偿控制方法；

步骤四、按照步骤一、步骤二、步骤三，对步骤一、步骤二、步骤三进行修整。

本发明所具有的有益效果是：

本发明利用输出采样实现闭环控制，使输出的电流值保持稳定，具有精度高，高达0.5‰，低温漂、具有5个档位、成本低等优点，可以满足绝大多数直流电阻测试仪器的使用。

附图说明

图1是本发明所提供的一种基于直流电阻测量的高精度电源的系统电路图。

图2是本发明所提供的一种基于直流电阻测量的高精度电源的系统电源图。

图3是本发明所提供的一种基于直流电阻测量的高精度电源的电流切换电路图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施实例对本发明作进一步详细描述：本实施实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种基于直流电阻测量的高精度电源，包括系统电源1、MCU系统2、电流档位切换电路3、基准电压产生电路4、电流采样电路5、基准电流产生电路6、功率放大电路7。系统电源连接MCU系统、基准电压产生电路、基准电流产生电路、电流档位切换电路、电流采样电路、功率放大电路的电源接口，为各模块提供所需的电源电压。

系统电源包括220V交流电源、整流电路、电源芯片。系统电源输出5路电压值，所述系统电源的变压器是7抽头变压器，变压器输出经过整流电路，输出给电源芯片，输出需要的电压值。MCU系统连接电流采样电路，通过采样电阻两端的电压，计算出电流值。MCU系统连接电流档位切换电路，为档位切换提供控制信号。MCU系统连接基准电压产生电路，调整基准电压产生电路输出的电压值。基准电压产生电路连接基准电流产生电路，为基准电流产生电路提供所需电压。基准电压产生电路连接电流采样电路，为电流采样电路的AD提供电压基准。基准电流产生电路连接功率放大电路，在维持电流不变的情况下，放大功率。电流档位切换电路连接基准电流产生电路，来调整基准电流的大小。电流档位切换电路共包含5个档位，5个档位分别是10A、5A、1A、0.5A、0.1A档位，5个档位一一对应采用5个继电器来实现，继电器由所述MCU系统控制。

实施例2

一种基于直流电阻测量的高精度电源及其实现方法，包括如下步骤：

步骤一、按照系统电源设计方案，功能模块包括：前级保护电路单元、EMI滤波电路单元、整流滤波电路单元、功率变换单元、PWM控制器单元、保护电路单元、输出整流滤波电路单元和反馈电路单元。其中为了得到高精度、高稳定性的电源输出，核心的功能模块有：EMI滤波电路单元、PWM控制器单元。

步骤二、EMI滤波电路单元的改进，电源噪声可大致分为串联干扰和共模干扰，串联模式干扰是指两条电源线之间的干扰噪声，而共模干扰是指电源线与地面之间的干扰噪声，假设在接入EMI滤波器前，负载上的噪声电压大小为U₁；而接入EMI滤波器后，输出负载上的噪声电压变为U₂，通常来说U₂<<U₁，则可计算出其插入损耗为：

同时，该EMI滤波器此时对地漏电流的大小计算得:

I_LD＝2πfCU_C

其中，I_LD表示对地漏电流大小，而f表示的是当前的电网频率大小；

假设我们所需要的EMI滤波要实现的衰减量大小是y，首先可以通过下式来计算该滤波器转折频率f_c的大小：

其中，在公式中：f_c表示在应用中希望得到的转折频率的大小，而f_sw则表示当前电源的工作频率大小；

由f_c的结果我们可计算出需要的滤波器的电感电容的参数：

按照上述参数要求，可计算出最佳的EMI工作参数。

步骤三、PWM控制器单元的技术改进，脉宽调制是通过改变电源功率开关的接通时间来调节输出信号，同时保持电源功率开关的工作频率不变，脉冲频率调制是通过改变电源功率开关的工作频率来调节输出信号，但保持电源开关的接通时间不变，脉冲跨周期调制的调制方式则是指通过即保持功率开关管的工作频率不变，也保持其导通时间不变的条件下，比较输出端的信号大小和设定值的大小，来决定电源的功率开关管需要的控制脉冲信号的连续；

忽略线路的电阻，可以得到系统在一个开关周期内的动态方程：

其中，i_c直流电源的输出电流；V_DC1是初级直流电压，V_DC2是次级直流电压，L_m是滤波电抗器，td是一周期内的开通时间，T是采样周期；

由于开关频率很高，因此，可以认为在一个开关周期内初级电压和次级电压为常数，通过电流峰值模型，可以得到线性控制规律，计算出td的时间：

为了达到理想的跟踪效果，我们采用了线性峰值电流补偿控制方法和非线性平均电流补偿控制方法。

步骤四、按照以上步骤，通过各个环节的修整，可将电源的精度提高30％、稳定度提高50％。

Claims (7)

1.一种基于直流电阻测量的高精度电源，其特征在于：包括系统电源，所述系统电源连接MCU系统、基准电压产生电路、基准电流产生电路、电流档位切换电路、电流采样电路、功率放大电路的电源接口；所述MCU系统连接所述电流采样电路，通过采样电阻两端的电压，计算出电流值；所述MCU系统连接所述电流档位切换电路，为档位切换提供控制信号；所述MCU系统连接所述基准电压产生电路，用于调整基准电压产生电路输出的电压值；所述基准电压产生电路连接所述基准电流产生电路，为所述基准电流产生电路提供所需电压；所述基准电压产生电路连接所述电流采样电路，为所述电流采样电路的AD提供电压基准；所述基准电流产生电路连接功率放大电路；所述电流档位切换电路连接所述基准电流产生电路，用于调整基准电流的大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻测量的高精度电源，其特征在于：所述系统电源输出5路电压值，所述系统电源的变压器是7抽头变压器，变压器输出经过整流电路，输出给电源芯片，输出需要的电压值。

3.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻测量的高精度电源，其特征在于：所述电流档位切换电路共包含5个档位，5个档位分别是10A、5A、1A、0.5A、0.1A档位，5个档位一一对应采用5个继电器来实现，继电器由所述MCU系统控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻测量的高精度电源，其特征在于：所述基准电流产生电路由精密运算放大器、分流电阻实现。

5.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻测量的高精度电源，其特征在于：所述MCU系统根据电流采样电路的值，调整基准电压，使电流输出稳定，从而实现电流自动校准。

6.根据权利要求1所述的一种基于直流电阻测量的高精度电源，其特征在于：所述电流采样电路采用温度系数控制。

7.一种基于直流电阻测量的高精度电源的实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、按照系统电源设计方案设置功能模块，功能模块包括：前级保护电路单元、EMI滤波电路单元、整流滤波电路单元、功率变换单元、PWM控制器单元、保护电路单元、输出整流滤波电路单元和反馈电路单元；

步骤二、对EMI滤波电路单元改进：电源线在接入EMI滤波器前，负载上的噪声电压大小为U1；而接入EMI滤波器后，输出负载上的噪声电压变为U2，可计算出其插入损耗为：

同时，该EMI滤波器此时对地漏电流的大小计算得：

I_LD＝2πfCU_C

其中，ILD表示对地漏电流大小，而f表示的是当前的电网频率大小；

假设EMI滤波要实现的衰减量大小是y，首先可以通过下式来计算该滤波器转折频率f_c的大小：

其中，在公式中：f_c表示在应用中希望得到的转折频率的大小，而f_sw则表示当前电源的工作频率大小；

由f_c的结果我们可计算出需要的滤波器的电感电容的参数：

按照上述参数要求，可计算出最佳的EMI工作参数；

步骤三、对PWM控制器单元的改进，脉宽调制是通过改变电源功率开关的接通时间来调节输出信号，同时保持电源功率开关的工作频率不变；脉冲频率调制是通过改变电源功率开关的工作频率来调节输出信号，但保持电源开关的接通时间不变；脉冲跨周期调制的调制方式则是指通过即保持功率开关管的工作频率不变，也保持其导通时间不变的条件下，比较输出端的信号大小和设定值的大小，来决定电源的功率开关管需要的控制脉冲信号的连续；

忽略线路的电阻，可以得到系统在一个开关周期内的动态方程：

其中，i_c直流电源的输出电流，V_DC1是初级直流电压，V_DC2是次级直流电压，L_m是滤波电抗器，td是一周期内的开通时间，T是采样周期；

由于开关频率很高，因此，能够认为在一个开关周期内初级电压和次级电压为常数，通过电流峰值模型，可以得到线性控制规律，计算出td的时间：

采用线性峰值电流补偿控制方法和非线性平均电流补偿控制方法；

步骤四、按照步骤一、步骤二、步骤三，对步骤一、步骤二、步骤三进行修整。

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