如何为精密直流电源的设计选择适合的元件

电池测试、电化学阻抗谱和半导体测试等测试和测量应用需要准确的电流和电压输出直流电源。在环境温度变化为±5°C时，设备的电流和电压控制精度需要优于满量程的±0.02%。精度在很大程度上取决于电流感应电阻器和放大器的温漂。在本文中，您将了解不同元件如何影响系统精度，以及如何为精密直流电源的设计选择适合的元件。

输出驱动器

图 1 是一个电源方框图，包括输出驱动器、电流和电压感应电路、控制环路、模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)。输出驱动器的选择取决于输出精度、噪声和功率级。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) 具有集成式热保护和过流保护功能，适合低功耗应用。

图 1：直流电源的典型方框图

然而，由于会有功率损耗，使用输出功率更高的线性输出驱动器具有挑战性，所以您需要使用同步降压转换器实现更高的输出功率，在输出端使用大滤波器，可实现 0.01% 的满量程精度。例如，使用降压转换器，在 5V 输出范围可实现 500µV 的精度。您还需要确认，转换器中没有在轻负载时增大输出纹波的脉冲跳跃和二极管仿真模式。C2000 实时微控制器 (MCU)非常适合精密同步降压转换器电源，因为您可以在软件中禁用不想要的功能。

电流和电压感应

高精度电流分流电阻器和低漂移仪表放大器可以测量输出电流。仪表放大器的输入失调电压误差和增益误差不是问题，因为在系统校准时会考虑到这两个误差。但仪表放大器的失调电压和增益漂移、输出噪声以及增益非线性难以校准，在选择电流感应放大器时应该考虑这些误差。

下方公式计算电流感应放大器的总体未调误差，如表 1 中所示。共模抑制比的误差相对较小，所以可以忽略它。

在表中列出的放大器中，INA188 的误差最小。误差计算使用 ±5°C 温度变化，分别为 1A 和 25A 输出选择 100mΩ 和 1mΩ 电流电阻器。

表 1：电流感应放大器的总体未调误差

您可以使用差分放大器或仪表放大器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接地，消除因电缆中的任何压降而产生的误差。系统校准会调整放大器的失调电压和增益误差，只留下输入温漂。您可以将温漂除以满量程电压，以百万分率为单位计算漂移。例如，对于 2.5V 满量程和 1µV/°C 温漂，漂移将为 0.4ppm/°C。如果您需要较低的输出电压漂移，则可以选择零漂移运算放大器（例如 OPA188），其最大输入温漂为 85nV/°C。但是，具有 1µV/°C 温漂的精密运算放大器足以满足大部分应用的需求。

ADC

在系统校准时调整 ADC 失调电压和增益误差。ADC 的漂移和非线性引起的误差难以校准。表 2 将温度变化为 ±5°C 时三个不同高精度 Δ-Σ ADC 的误差进行了对比。在表中所列的 ADC 中，ADS131M02 的误差最小。误差计算不包括 ADC 的输出噪声和电压基准误差。

表 2：ADC 的总体未调误差

您可以通过增大 ADC 的过采样率，显著减小由噪声引起的误差。低噪声 (<0.23ppmp-p) 和低温漂电压基准 (<2ppm/°C)（例如 REF70）足以满足直流电源应用的需求。在运行的 0 至 1,000 小时内，该器件仅有 28ppm 的长期漂移。在接下来 1,000 小时运行中，后续漂移显著低于 28ppm。

控制环路

图 2 展示了电源的模拟控制环路。即使您不需要恒流输出，保留恒流环路也将有助于短路保护。恒流环路会通过降低输出电压来限制输出电流，并且电流限制可通过 IREF 设置进行编程。

在恒流和恒压环路之间使用二极管有助于实现恒压至恒流转换，反之亦然。多路复用器友好型运算放大器适合恒流和恒压环路，避免在开环运行时放大器输入之间发生短路。当任何控制环路处于开环状态时，运算放大器可能会在其输入引脚处产生大于 0.7V 的差分电压。非多路复用器友好型运算放大器在输入引脚有反向并联二极管，不允许差分电压超过二极管压降。因此，非多路复用器友好型运算放大器会增大放大器的偏置电流，可能在该电流与源阻抗相互作用时导致器件自发热和降低系统精度。

图 2：恒流和恒压环路原理图

您还可以在 C2000 实时 MCU 内的数字域中实施控制环路。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和物料清单总数。C2000 实时 MCU 产品系列包括 16 位和 12 位 ADC 选项。

结语

在为测试和测量应用设计直流电源时，应考虑温漂和噪声规格。如果选择低漂移放大器和 ADC 产品，可以实现低于 0.01% 的精度。

如需获取更多在线技术支持，请访问 TI E2E 中文支持论坛 (e2echina.ti.com)。

原文标题：技术干货 | 如何设计准确的直流电源

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审核编辑:汤梓红