【導(dǎo)讀】諸如電池測試，電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測試之類的測試和測量應(yīng)用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。在±5°C的環(huán)境溫度變化下，設(shè)備的電流和電壓控制精度必須高于滿量程的±0.02％。精度很大程度上取決于電流檢測電阻和放大器的溫度漂移。在本文中，您將學(xué)習(xí)不同的組件如何影響系統(tǒng)精度，以及如何為精確的直流電源設(shè)計選擇合適的組件。
諸如電池測試，電化學(xué)阻抗譜和半導(dǎo)體測試之類的測試和測量應(yīng)用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。在±5°C的環(huán)境溫度變化下，設(shè)備的電流和電壓控制精度必須高于滿量程的±0.02％。精度很大程度上取決于電流檢測電阻和放大器的溫度漂移。在本文中，您將學(xué)習(xí)不同的組件如何影響系統(tǒng)精度，以及如何為精確的直流電源設(shè)計選擇合適的組件。
輸出驅(qū)動器
圖1是電源的框圖，包括輸出驅(qū)動器，電流和電壓感應(yīng)電路，控制環(huán)路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。輸出驅(qū)動器的選擇取決于輸出精度，噪聲和功率水平。線性電源用作低功率（<5 W）或低噪聲應(yīng)用的輸出驅(qū)動器。具有集成式熱保護和過流保護功能的功率運算放大器（op amp）適用于低功率應(yīng)用。
圖1：直流電源的典型框圖
然而，由于功耗，使用線性輸出驅(qū)動器來獲得更高的輸出功率是一項挑戰(zhàn)，因此，您需要一個同步降壓轉(zhuǎn)換器來獲得更高的輸出功率，通過在輸出端保留大型濾波器，它可以達到滿量程精度的0.01％。 。例如，使用降壓轉(zhuǎn)換器，5V的輸出范圍可以達到500µV的精度。您還需要確認轉(zhuǎn)換器中沒有脈沖跳躍和二極管仿真模式，這會增加輕負載時的輸出紋波。C2000Tm值 實時微控制器（MCU）非常適合精密同步降壓轉(zhuǎn)換器電源，因為您可以禁用軟件中不需要的功能。
電流和電壓感應(yīng)
高精度分流電阻和低漂移儀表放大器可以測量輸出電流。無需考慮儀表放大器的輸入失調(diào)誤差和增益誤差，因為這兩個誤差都是在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間考慮的。儀表放大器的失調(diào)和增益漂移，輸出噪聲和增益非線性很難校準(zhǔn)，但是，在選擇電流檢測放大器時，應(yīng)考慮這些誤差。
公式1計算了表1所示電流檢測放大器的總未調(diào)整誤差。來自公共噪聲抑制比的誤差相對較小，您可以忽略它。
等式1該INA188在表中列出的放大器之間的誤差最小。誤差計算使用±5°C的溫度變化，分別為1-A和25-A輸出選擇了100mΩ和1-mΩ電流電阻。
表1：電流檢測放大器的總未調(diào)整誤差
使用差分或儀表放大器使您可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)視負載電壓。放大器同時感測負載的輸出電壓和接地，以消除電纜中任何電壓降引起的誤差。系統(tǒng)校準(zhǔn)可調(diào)節(jié)放大器的失調(diào)和增益誤差，僅留下輸入失調(diào)漂移。您可以通過將失調(diào)漂移除以滿量程電壓來計算百萬分之一的漂移。例如，在2.5V滿量程范圍和1µV /°C失調(diào)漂移的情況下，該漂移將為0.4 ppm /°C。如果需要較低的輸出電壓漂移，可以選擇零漂移運算放大器，例如OPA188，其最大輸入失調(diào)漂移為85 nV /°C。但是，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，1 µV /°C失調(diào)漂移精密運算放大器就足夠了。
ADC
在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間會調(diào)整ADC失調(diào)和增益誤差。ADC的漂移和非線性引起的誤差很難校準(zhǔn)。表2比較了溫度變化±5°C時三種不同的高精度delta-sigma ADC的誤差。在表中列出的ADC中，ADS131M02的誤差最小。誤差計算不包括ADC的輸出噪聲和參考電壓誤差。
表2：ADC的總未調(diào)整誤差
通過增加ADC的過采樣率，可以顯著降低噪聲引起的誤差。對于直流電源應(yīng)用而言，低噪聲（<0.23 ppm p-p） 和低漂移電壓基準(zhǔn)（<2ppm /°C）（例如REF70）就足夠了。該器件在0至1,000小時的工作時間內(nèi)僅具有28 ppm的長期漂移。隨后的1,000小時內(nèi)，隨后的漂移將大大低于28 ppm。
控制回路
圖2顯示了電源的模擬控制環(huán)路。即使您不需要恒定電流輸出，保持恒定電流環(huán)路也將有助于短路保護。恒流環(huán)路將通過降低輸出電壓來限制輸出電流，并且電流限制可通過IREF設(shè)置進行編程。
在恒定電流和恒定電壓環(huán)路之間使用二極管有助于恒定的電壓到恒定的電流轉(zhuǎn)換，反之亦然。甲復(fù)用器友好運算放大器適合于恒定電流和恒定電壓循環(huán)，以避免在開環(huán)操作放大器輸入端之間的短路。當(dāng)任何控制環(huán)路處于開環(huán)狀態(tài)時，運算放大器可能會在其輸入引腳上看到大于0.7 V的差分電壓。非多路復(fù)用器友好型運算放大器在輸入引腳上具有反并聯(lián)二極管，因此不允許差分。電壓超過二極管壓降。因此，非多路復(fù)用器友好型運算放大器會增加放大器的偏置電流，由于電流與源阻抗相互作用，可能會導(dǎo)致器件自發(fā)熱以及系統(tǒng)誤差。
圖2：恒定電流和恒定電壓環(huán)路原理圖
您還可以在C2000實時MCU內(nèi)部的數(shù)字域中實現(xiàn)控制循環(huán)。C2000實時MCU的高分辨率脈寬調(diào)制，精密ADC和其他模擬外設(shè)有助于減少組件總數(shù)和物料清單。C2000實時MCU系列包括16位和12位ADC選項。
結(jié)論
在設(shè)計用于測試和測量應(yīng)用的直流電源時，請考慮溫度漂移和噪聲規(guī)范。如果選擇低漂移放大器和ADC產(chǎn)品，則精度可能不到0.01％。
（來源：TI，作者：Shaury anand）
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