如何设计一个精确的直流电源

测试和测量应用，如电池测试、电化学阻抗光谱和半导体测试，需要准确的电流和电压输出直流电源。当环境温度变化到±5°C时，器件的电流和电压控制精度需要优于满刻度的±0.02%。该精度主要取决于电流感应电阻和放大器的温度漂移。在这篇文章中，你将了解到不同的元件是如何影响系统精度的，以及如何为精密直流电源的设计选择合适的元件。

输出驱动器

输出驱动器的选择取决于输出精度、噪声和功率水平。线性电源可用作低功耗（<5W）或低噪声应用的输出驱动器。功率运算放大器（op-amp）集成了热保护和过流保护功能，适用于低功率应用。

然而，由于功率损耗，使用具有较高输出功率的线性输出驱动器具有挑战性，因此需要使用同步降压转换器来实现较高的输出功率，并在输出端使用大的滤波器来实现0.01%的满刻度精度。例如，使用降压转换器，在5V输出范围内可以达到500μV的精度。你还需要确认转换器中没有跳过脉冲和二极管仿真模式，这些模式在轻度负载下会增加输出纹波。C2000实时微控制器（MCU）是精密同步降压转换器电源的理想选择，因为你可以在软件中禁用不需要的功能。

电流和电压感应

高精度电流分流电阻和低漂移仪表放大器可以测量输出电流，仪表放大器的输入偏移电压误差和增益误差不是问题，因为这两个误差在系统校准时已经考虑到了。然而，要校准仪表放大器的偏移电压和增益漂移、输出噪声和增益非线性是很困难的。在选择电流感应放大器时应考虑这些误差、

公式1计算了电流感应放大器的整体未调整误差。 如表1所示。共模抑制比的误差相对较小，所以可以忽略不计。

在表中所列的放大器中，INA188的误差是最小的。误差计算采用±5℃的温度变化，并分别为1A和25A的输出选择100mΩ和1mΩ的电流电阻。

你可以使用差分放大器或仪表放大器来非常准确地监测负载电压。放大器感应两个负载的输出电压和地线，消除了由于电缆中的任何电压降而产生的误差。系统校准将调整放大器的偏移电压和增益误差。只留下输入温度漂移。你可以用温度漂移除以满量程电压，然后计算出以百万分之一为单位的漂移。例如，对于2.5V满量程和1µV/°C温度漂移，漂移将是0.4ppm/°C。如果你需要更低的输出电压漂移，你可以选择一个零漂移的运算放大器（如OPA188），它的最大输入温度漂移为85nV/°C。然而，一个温度漂移为1µV/°C的精密运算放大器对于大多数应用来说已经足够。

ADC

在系统校准期间调整ADC的偏移电压和增益误差。由ADC漂移和非线性引起的误差是很难校准的。表2比较了三种不同的高精度delta-sigma ADC在温度变化到±5°C时的误差。在表中所列的ADC中，ADS131M02的误差最小。误差计算不包括ADC输出噪声和电压基准误差。

你可以通过提高ADC的过采样率来显著降低噪声引起的误差，低噪声（<0.23ppmp-p）和低温漂移电压基准（<2ppm/°C）（如REF70）足以满足直流电源应用的需要。在0至1,000小时的运行中，该器件的长期漂移只有28ppm。在接下来的1,000小时的运行中，随后的漂移明显低于28ppm。

控制回路

图2显示了电源的模拟控制回路，即使你不需要恒流输出，保持恒流回路也有助于短路保护。恒流环路通过降低输出电压来限制输出电流。并且可以通过IREF设置对电流限制进行编程。

在恒定电流和恒定电压回路之间使用一个二极管有助于实现恒定电压到恒定电流的转换，反之亦然。对多路复用器友好的运算放大器适用于恒定电流和恒定电压环路，避免在开环操作期间放大器输入之间出现短路。当任何控制环路处于开环状态时，运算放大器可能在其输入引脚产生大于0.7V的差分电压。非复用器友好型运算放大器在输入引脚上有反平行二极管，差分电压不允许超过二极管压降。因此，非复用器友好型运算放大器会增加放大器的偏置电流。当电流与源阻抗相互作用时，可能会导致器件自热并降低系统精度。

你也可以在C2000实时MCU内的数字域中实现一个控制环。C2000实时MCU的高分辨率脉宽调制器、精密ADC.和其他模拟外设可帮助减少元件总数和材料清单。C2000实时MCU产品系列包括16位和12位ADC选项。

总结

在为测试和测量应用设计直流电源时，应考虑温度漂移和噪声规格。如果你选择低漂移的放大器和ADC产品，你可以达到小于0.01%的精度。

交流电源和直流电源的区别是什么？

交流电源是一个现代词汇，是一个专有名词，指的是用于连接到由主电源提供的交流电的插头和插座，以便使用家用电器和小型便携式设备。直流电源是一种在电路中保持恒定电压和电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。

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