【導讀】諸如電池測試，電化學阻抗譜和半導體測試之類的測試和測量應用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。在±5°C的環境溫度變化下，設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，您將學習不同的組件如何影響系統精度，以及如何為精確的直流電源設計選擇合適的組件。
諸如電池測試，電化學阻抗譜和半導體測試之類的測試和測量應用需要精確的電流和電壓輸出直流電源。在±5°C的環境溫度變化下，設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，您將學習不同的組件如何影響系統精度，以及如何為精確的直流電源設計選擇合適的組件。
輸出驅動器
圖1是電源的框圖，包括輸出驅動器，電流和電壓感應電路，控制環路，模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）。輸出驅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）或低噪聲應用的輸出驅動器。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，使用線性輸出驅動器來獲得更高的輸出功率是一項挑戰，因此，您需要一個同步降壓轉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，使用降壓轉換器，5V的輸出范圍可以達到500µV的精度。您還需要確認轉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
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誤差和增益誤差，因為這兩個誤差都是在系統校準期間考慮的。儀表放大器的失調和增益漂移，輸出噪聲和增益非線性很難校準，但是，在選擇電流檢測放大器時，應考慮這些誤差。
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整誤差
使用差分或儀表放大器使您可以非常準確地監視負載電壓。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。系統校準可調節放大器的失調和增益誤差，僅留下輸入失調漂移。您可以通過將失調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，其最大輸入失調漂移為85 nV /°C。但是，對于大多數應用而言，1 µV /°C失調漂移精密運算放大器就足夠了。
ADC
在系統校準期間會調整ADC失調和增益誤差。ADC的漂移和非線性引起的誤差很難校準。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。對于直流電源應用而言，低噪聲（<0.23 ppm p-p） 和低漂移電壓基準（<2ppm /°C）（例如REF70）就足夠了。該器件在0至1,000小時的工作時間內僅具有28 ppm的長期漂移。隨后的1,000小時內，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路。即使您不需要恒定電流輸出，保持恒定電流環路也將有助于短路保護。恒流環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設置進行編程。
在恒定電流和恒定電壓環路之間使用二極管有助于恒定的電壓到恒定的電流轉換，反之亦然。甲復用器友好運算放大器適合于恒定電流和恒定電壓循環，以避免在開環操作放大器輸入端之間的短路。當任何控制環路處于開環狀態時，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。非多路復用器友好型運算放大器在輸入引腳上具有反并聯二極管，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，可能會導致器件自發熱以及系統誤差。
圖2：恒定電流和恒定電壓環路原理圖
您還可以在C2000實時MCU內部的數字域中實現控制循環。C2000實時MCU的高分辨率脈寬調制，精密ADC和其他模擬外設有助于減少組件總數和物料清單。C2000實時MCU系列包括16位和12位ADC選項。
結論
在設計用于測試和測量應用的直流電源時，請考慮溫度漂移和噪聲規范。如果選擇低漂移放大器和ADC產品，則精度可能不到0.01％。
（來源：TI，作者：Shaury anand）
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