如何设计一个高精度的直流电源

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精确的电流和电压输出直流电源。当环境温度变化为±5°C时，器件的电流电压控制精度需要优于满量程的±0.02%。精度很大程度上取决于电流检测电阻器和放大器的温度漂移。在本文中，您将了解不同组件如何影响系统精度以及如何为精密DC设计选择合适的组件电源。

一、输出驱动器：

图1是电源的框图，包括输出驱动器、电流和电压检测电路、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，适用于小功率应用。

直流电源的典型框图

但是，由于功率损耗，使用具有更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更高的输出功率，并在输出侧使用大滤波器来实现0.01%Full刻度精度。例如，使用降压转换器，可以在5V输出范围内实现500µV的精度。您还需要确认转换器中没有增加轻负载时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)非常适合用于精密同步降压转换器电源，因为您可以在软件中禁用不需要的功能。

二、电流和电压感应：

高精度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都不是问题，因为在校准系统时已将这两个误差考虑在内。然而，很难校准仪表放大器的失调电压和增益漂移、输出噪声和增益非线性。选择电流检测放大器时应考虑这些误差，

公式1计算电流检测放大器的整体未调整误差。如表1所示。共模抑制比的误差比较小，可以忽略不计。

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

您可以使用差分放大器或仪表放大器来非常准确地监控负载电压。放大器检测两个负载的输出电压和接地，从而消除由于电缆中的任何电压降引起的误差。系统校准会调整放大器的失调电压和增益误差。只留下输入温度漂移。您可以将温度漂移除以满量程电压并以百万分之几计算漂移。例如，对于2.5V满量程和1µV/°C温度漂移，漂移将为0.4ppm/°C。如果需要更低的输出电压漂移，可以选择零漂移运算放大器（如OPA188），其最大输入温度漂移为85nV/°C。然而，对于大多数应用来说，具有1µV/°C温度漂移的精密运算放大器就足够了。

三、ADC：

在系统校准期间调整ADC失调电压和增益误差。由ADC漂移和非线性引起的误差很难校准。表2比较了三种不同的高精度delta-sigmaADC在温度变化到±5°C时的误差。在表中列出的ADC中，ADS131M02的误差最小。误差计算不包括ADC输出噪声和电压参考误差。

可以通过提高ADC的过采样率来显着降低噪声带来的误差，低噪声（<0.23ppmp-p）、低温漂参考电压（<2ppm/°C）（如REF70）就足够了以满足直流电源应用的需求。在0到1,000小时的运行时间内，该器件只有28ppm的长期漂移。在接下来的1,000小时运行中，随后的漂移明显低于28ppm。

四、控制回路：

图2显示了电源的模拟控制回路，即使您不需要恒流输出，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。

在恒流和恒压环路之间使用二极管有助于实现恒压到恒流的转换，反之亦然。多路复用器友好型运算放大器适用于恒流和恒压环路，可避免开环操作期间放大器输入之间的短路。当任何控制回路处于开环状态时，运算放大器可能会在其输入引脚产生大于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处有反并联二极管，差分电压不允许超过二极管压降。因此，非多路复用器友好型运算放大器会增加放大器的偏置电流.当电流与源阻抗相互作用时，这可能会导致设备自热并降低系统精度。

恒流恒压回路示意图