CN117792026A - 一种基于多片ad分时采样的高精度双极性可编程恒流源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多片AD分时采样的高精度双极性可编程恒流源，包括双极性ACDC开关电源、预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1、电容E1、可控逆变H桥、电流采样单元A1、总控制器、电感L1和负载电感L2；其中电流采样单元A1的采样速度配置为高于所述可控逆变H桥开关频率的N倍；A1包括控制芯片以及N片AD转换芯片，各片AD转换芯片的输入信号均为可控逆变H桥的输出电流，各片AD转换芯片配置为对该电流信号等间隔的分时的依次采样，且采样的结果依时间先后顺序送入控制芯片；在一轮采样完成后，控制芯片立即开启下一轮等间隔电流采样，并将上一轮采样的数据取平均值作为反馈发送给总控制器。

Description

一种基于多片AD分时采样的高精度双极性可编程恒流源

技术领域

本发明涉及电力电子，尤其涉及一种基于多片AD分时采样的高精度双极性可编程恒流源。

背景技术

高精度双极性可编程恒流源主电路由ACDC开关电源、预充电电阻、预充电旁路继电器、电容、逆变H桥(Q1～Q4)、电流采样、电感和输入输出端子等组成。电源需要具备以下功能和技术指标：

1)双极性电流输出，不仅可以任意改变电流方向，而且可以零电流输出；

2)输出电流可编程，在-25.0000A～+25.0000A内可以任意设置目标输出电流，电流都将从当前电流达到新设置的目标电流；

3)高精度电流输出，输出范围0.1mA～25A，分辨率0.1mA；

4)峰峰纹波电流≦5mA；

5)输出电流精度≦1mA。

图1为双极性恒流源电气拓扑图，A1为电流传感器，采样输出电流，总控制器以输出电流为反馈信号，与给定电流比较，形成闭环，PI调节后有序控制H桥输出功率，最终使实际输出电流按给定电流变化。输出电流响应时间可通过修改PI参数优化。闭环控制框图如图2所示。

从以上产生恒流输出的方法可以看出，要使电源输出高精度电流，首先得电流采样精度很高，目前较高水平的基本为24位AD采样；且采样速度要高于H桥的开关控制频率。但对于高精度双极性可编程恒流源而言，为达到输出电流精度，开关频率需要设置得比较高，例如H桥开关频率20kHz，而24位的AD转换芯片(一般在20kHz左右的采样速率)以及与之配套的单片机显然达不到高的采样速度，这就导致输出的直流电流并不是标准的直流波形，而是存在与开关频率相同频率的纹波电流，如图3所示。若AD采样频率不能高于H桥开关频率，而是相同或小于，则会导致电流采样不准确。若每次采样到的值都是正常输出电流纹波的最高点，则会导致总控制器认为输出电流高于了给定电流，将会控制H桥调小输出电流；若采样到的值都是正常输出电流纹波的最低点，则总控制器将调大输出电流。本来正常输出的电流，因为采样值错误，导致输出电流与给定电流出现偏差。

从以上可以看出，双极性可编程恒流源能否输出高精度电流，高精度电流采样是关键。

发明内容

本发明的目的在于：实现一种高精度双极性可编程恒流源，尤其是以提高电流采样精度来保障恒流源输出高精度电流。

为达到上述目的，提供一种基于多片AD分时采样的高精度双极性可编程恒流源，包括双极性ACDC开关电源、预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1、电容E1、可控逆变H桥、电流采样单元A1、总控制器、电感L1和负载电感L2；ACDC开关电源PW1自外部取电；预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1两者并联后串入ACDC开关电源输出端的直流母线；电容E1跨接在直流母线上；可控逆变H桥从直流母线取电并配置为通过总控制器的闭环控制达到恒流输出，电流采样单元A1用于采集可控逆变H桥的输出电流反馈至总控制器；电感L1、负载电感L2依次串联后跨接在可控逆变H桥输出两端；其中，电流采样单元A1的采样速度配置为高于所述可控逆变H桥开关频率的N倍，N为整数；电流采样单元A1包括控制芯片以及N片AD转换芯片，各片AD转换芯片的输入信号均为可控逆变H桥的输出电流，各片AD转换芯片配置为对该电流信号等间隔的分时的依次采样，且采样的结果依时间先后顺序送入控制芯片；在一轮采样完成后，控制芯片立即开启下一轮等间隔电流采样，并将上一轮采样的数据取平均值作为所述反馈发送给总控制器。

进一步的，N配置为大于或等于10。

进一步的，所述AD转换芯片采用24位。

进一步的，所述可控逆变H桥的开关频率大于或等于20kHz。

进一步的，所述控制芯片配置为FPGA。

进一步的，每片AD转换芯片的输入端均设置有跟随器，所述可控逆变H桥的输出电流通过各跟随器进入各片AD转换芯片。

本发明优点：

1、采样精度高，每一个纹波周期内有多次电流采样，即使个别采样点出错，平均后也不会有多大影响；

2、采样速度快，每一个开关周期都有高精度的反馈电流，能大大的提高输出电流的动态响应，可以应对负载急剧变化的情况。

附图说明

图1示出了双极性恒流源电气拓扑图。

图2示出了闭环控制框图。

图3示出了直流电流输出波形。

图4示出了等间隔时间采样拓扑图。

图5示出了电源组成框图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，高精度双极性可编程电源的硬件拓扑，由双极性ACDC开关电源、预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1、电容E1、可控逆变H桥(Q1～Q4)、电流采样单元A1、电感L1和输入输出端子等组成，负载电感L2是电源的关键部件。ACDC开关电源PW1自外部取电；预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1两者并联后串入ACDC开关电源输出端的直流母线；电容E1跨接在直流母线上；可控逆变H桥从直流母线取电，开关频率大于或等于20kHz，并配置为通过总控制器的闭环控制达到恒流输出，电流采样单元A1用于采集可控逆变H桥的输出电流反馈至总控制器；电感L1、负载电感L2依次串联后跨接在可控逆变H桥输出两端。

高精度双极性可编程电源要输出-25.0000A～+25.0000A的恒定电流，分辨率为0.1mA，输出精度≦1mA，峰峰纹波电流≦5mA。面对如此高的性能指标要求，本发明采用24位的AD转换芯片。从采样位数上来说，24位可表示0～16777216范围，能完全覆盖0-250000的电流要求范围，远远满足电流采样精度的要求。但24位的AD转换芯片的转换速率都不高，一般在20kHz左右的采样速率。按背景中所述，输出电流的采样频率要远高于H桥的开关控制频率才能保证电流精度。以H桥开关速度为20kHz(基本逼近24位AD单片的极限转换速率)的话，那AD采样速度要达到200kHz的转换速度峰峰纹波电流才能满足要求。

双极性恒流源的开关频率很高，AD采样的转换速度无法远远超过开关频率。对此，本发明的双极性恒流源电流AD采样方法可精确的快速的采样到输出电流。不仅精度高，而且采样速度快。采样速度快，可大大提高双极性恒流源输出电流的动态响应速度。

本发明的电流采样采用多AD转换芯片等间隔时间采样的方法，如图4所示。本着采样速度配置为高于可控逆变H桥开关频率的N(N为整数)倍的原则，由一片控制芯片(FPGA)对N片AD转换芯片进行管理，有序启动和读取AD转换芯片的数据，AD转换芯片的输入信号为同一电流信号,即可控逆变H桥的输出电流。也就是说，同一信号被各片AD转换芯片等间隔的分时的依次采样，采样的结果依时间先后顺序进入控制芯片中。在一轮采样完成后，控制芯片会立即开启第二轮等间隔电流采样，同时将上一轮采样的数据取平均值，将所得结果发送给上一级控制芯片(DSP)，以供上一级控制芯片闭环调节H桥的PWM值，从而调节恒流源的输出。

双极性恒流源由于纹波、精度等指标要求很高，且输出电流范围很宽。所以，双极性电源开关频率越高，越容易实现低纹波和高精度电流输出。但高的开关频率，必然会产生高的纹波电流。本着采样速度要远远高于开关频率若干整数倍的原则，以H桥取开关频率20kHz，单AD芯片最快转换速度取20kHz，总的电流采样的转换速度取200kHz进行说明。

H桥开关频率为20kHz时，周期T＝50us，也即输出纹波电流的周期。将周期T分成10等份，得电流采样周期t＝5us。也就是说，每5us有一次电流采样(AD转换)结果。上电后，FPGA首先控制AD转转芯片1启动，5us后启动AD转换芯片2，再5us后启动AD转换芯片3，以此类推，最后启动AD转换芯片10。由于单AD转换时间周期也为50us，在AD转换芯片10启动后，会开始收到AD转换芯片1转换完成的结果，此时FPGA读取AD转换芯片1的转换值，并再次启动AD转换芯片1；5us后会收到AD转换芯片2的转换值，也并再启动AD转换芯片2；以此类推，在收到AD转换芯片10的转换值后，FPGA就能计算出10次采样的平均值，该平均值即为一个开关频率周期(50us)内的直流输出电流。循环往复的采样，在每个开关频率周期都有一个实时电流值的更新。

使用多AD转换芯片等采样间隔的双极性可编程恒流源不但输出电流纹波小、精度高，而且动态响应速度很快。

如图5所示，本发明的电源控制中心由检测电路5、驱动电路4、总控制器3和操作面板6等组成。检测模块5主要是包括电压检测、温度检测，检测信号通过电路处理后送给总控制器3；总控制器3读取FPGA控制中心7中的电流值，将电流数据作为反馈信号，通过驱动电路4驱动电源中CMOS管。操作面板6可以随时设置输出电流的大小和方向，并且显示电源当前的电压、电流和温度等指标数据。7为FPGA的控制中心，主要是对AD转换芯片8进行有序管理，间接提高AD转换的转换速度，同时FPGA逻辑处理能力较普通MCU快速，对速度敏感的此类型方案能够进一步提升采样速度。

作为改进，每片AD转换芯片的输入端均设置有跟随器，可控逆变H桥的输出电流通过各跟随器进入各片AD转换芯片，如此，可以实现每片AD转换芯片的信号均对同一电流信号的反向隔离，避免某片AD出错反过来影响共采集的电流，进而影响其他AD。

本发明优点：

1、采样精度高，每一个纹波周期内有多次电流采样，即使个别采样点出错，平均后也不会有多大影响；

2、采样速度快，每一个开关周期都有高精度的反馈电流，能大大的提高输出电流的动态响应，可以应对负载急剧变化的情况。

上述具体实施例仅仅是本发明的优选的实施例，基于本发明的技术方案和上述实施例的相关启示，本领域技术人员可以对上述具体实施例做出多种替代性的改进和组合。

Claims (6)

1.一种基于多片AD分时采样的高精度双极性可编程恒流源，其特征在于：

包括双极性ACDC开关电源、预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1、电容E1、可控逆变H桥、电流采样单元A1、总控制器、电感L1和负载电感L2；ACDC开关电源PW1自外部取电；预充电电阻R1、预充电旁路继电器K1两者并联后串入ACDC开关电源输出端的直流母线；电容E1跨接在直流母线上；可控逆变H桥从直流母线取电并配置为通过总控制器的闭环控制达到恒流输出，电流采样单元A1用于采集可控逆变H桥的输出电流反馈至总控制器；电感L1、负载电感L2依次串联后跨接在可控逆变H桥输出两端；

其中，电流采样单元A1的采样速度配置为高于所述可控逆变H桥开关频率的N倍，N为整数；电流采样单元A1包括控制芯片以及N片AD转换芯片，各片AD转换芯片的输入信号均为可控逆变H桥的输出电流，各片AD转换芯片配置为对该电流信号等间隔的分时的依次采样，且采样的结果依时间先后顺序送入控制芯片；在一轮采样完成后，控制芯片立即开启下一轮等间隔电流采样，并将上一轮采样的数据取平均值作为所述反馈发送给总控制器。

2.根据权利要求1所述的高精度双极性可编程恒流源，其特征在于：N配置为大于或等于10。

3.根据权利要求1或2所述的高精度双极性可编程恒流源，其特征在于：所述AD转换芯片采用24位。

4.根据权利要求3所述的高精度双极性可编程恒流源，其特征在于：所述可控逆变H桥的开关频率大于或等于20kHz。

5.根据权利要求1所述的高精度双极性可编程恒流源，其特征在于：所述控制芯片配置为FPGA。

6.根据权利要求1所述的高精度双极性可编程恒流源，其特征在于：每片AD转换芯片的输入端均设置有跟随器，所述可控逆变H桥的输出电流通过各跟随器进入各片AD转换芯片。