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          EEPW首頁(yè) > 電源與新能源 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種數(shù)控高穩(wěn)定性直流大電流信號(hào)源系統(tǒng)

          一種數(shù)控高穩(wěn)定性直流大電流信號(hào)源系統(tǒng)

          作者:李越超,韓冰,孫向平(北京普瑞姆賽斯科技有限公司,北京 101102) 時(shí)間:2021-12-01 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:針對(duì)目前大電流源常見(jiàn)的輸出范圍小和精度不高的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)控制的大電流直流信號(hào)源,系統(tǒng)具備高精度、高穩(wěn)定性、可拓展、小體積等特點(diǎn)?;谠撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)的大電流源精度較高、穩(wěn)定性高,采用24 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高達(dá)20 bit的最高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器,性能優(yōu)于一般模擬控制方案。系統(tǒng)具有較高的集成度,在實(shí)現(xiàn)大電流、大功率輸出標(biāo)準(zhǔn)值的情況下,體積控制在3U機(jī)箱內(nèi)。同一機(jī)柜可并聯(lián)使用多個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高電流輸出,功能更加強(qiáng)大,應(yīng)用前景廣泛。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202112/430012.htm

          0   引言

          在測(cè)試測(cè)量、計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域中,大電流源是不可或缺的儀器,在科研國(guó)防及新能源領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前,多數(shù)電流源普遍采用壓控方式,首先需要產(chǎn)生控制電壓,然后經(jīng)電壓- 電流轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流輸出。由于控制電壓產(chǎn)生方式、質(zhì)量,以及電壓- 電流轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)方式的不同,電流源在輸出范圍和輸出精度上有較大差異。在測(cè)試系統(tǒng)、校準(zhǔn)設(shè)備等應(yīng)用環(huán)境中,電流輸出多直接采用電流輸出型D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生,這種方式雖然精度可以達(dá)到μA 級(jí)別,但由于D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電流范圍較小,所以這類電流源的輸出不會(huì)超過(guò)幾mA,很難保證校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)試環(huán)節(jié)中動(dòng)輒幾百到幾千A 的需求。針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)控大電流源系統(tǒng),系統(tǒng)以20 位DAC 產(chǎn)生控制電壓信號(hào),采用模擬電路實(shí)現(xiàn)電壓- 電流轉(zhuǎn)換,采用磁通門傳感器、低溫漂電阻及24 位ADC 對(duì)輸出進(jìn)行采樣,利用一整套系統(tǒng)進(jìn)行,確保輸出。

          1   原理

          1.1 MOS管控制電流原理

          MOS 管是電壓控制器件,需要使用電壓控制G 角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管子電流的控制。最常見(jiàn)的是增強(qiáng)型N 溝通MOS 管,使用一個(gè)電壓來(lái)控制G 的電壓,導(dǎo)通電壓一般在(2 ~ 4)V,若要完全控制,這個(gè)值一般要上升到10 V 左右。

          以N 溝道MOS 管為例,Vt 是其導(dǎo)通的閾值電壓,當(dāng)image.png時(shí),源極漏極之間隔著P 區(qū),漏結(jié)反偏,故無(wú)漏極電流,MOS 管不導(dǎo)通;當(dāng)image.png時(shí)柵極下的p型硅表面發(fā)生強(qiáng)反型,形成連通源區(qū)和漏區(qū)的N 型溝道產(chǎn)生漏極電流ID,MOS 管導(dǎo)通。

          對(duì)于恒定Vds,Vgs 越大,則溝道中可移動(dòng)的電子越多,溝道電阻就越小,ID 就越大,當(dāng)然這個(gè)Vgs 大到一定值,電壓再大,ID 也不會(huì)再有太大的變化了。MOS 管的漏、源、柵極都有寄生電容,分別是Cds、Cgd 和Cgs,如圖1 所示。

          image.png

          圖1 MOS管的寄生電容

          其中

          Cds = Coss(輸出電容);

          Cgd + Cgs = Ciss(輸入電容);

          1638324980983595.png

          圖2 MOS管開(kāi)關(guān)過(guò)程中柵極電荷特性

          圖2中,VTH 為開(kāi)關(guān)閾值電壓;VGP 為米勒平臺(tái)電壓;VCC 為驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓;VDD 為MOS 關(guān)斷時(shí)D 和S極施加的電壓。

          T1 階段:當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)通脈沖加到MOS 管的G 極和S極時(shí),輸入電容Ciss 充電直到MOS 管開(kāi)啟為止,開(kāi)啟時(shí)有Vgs = Vth,柵極電壓達(dá)到Vth 前,MOS 管一直處于關(guān)斷狀態(tài),只有很小的電流流過(guò)MOS 管,Vds 的電壓Vdd 保持不變。

          T2 階段:當(dāng)Vgs 到達(dá)Vth 時(shí),漏極開(kāi)始流過(guò)電流ID,然后Vgs 繼續(xù)上升,ID 也逐漸上升,Vds 保持VDD 不變,當(dāng)Vds 到達(dá)米勒平臺(tái)電壓Vgp 時(shí),ID 也上升到負(fù)載電流最大值ID,VDS 的電壓開(kāi)始從VDD 下降。

          T3 階段:米勒平臺(tái)器件,ID 繼續(xù)保持ID 不變,VDS電壓不斷降低,米勒平臺(tái)技術(shù)時(shí)刻,ID 電流仍維持,VDS 電壓降到一個(gè)較低的值。米勒平臺(tái)的高度受負(fù)載電流的影響,負(fù)載電流越大,則ID 到達(dá)此電流的時(shí)間就越長(zhǎng),從而導(dǎo)致更高的VGP。

          T4 階段:米勒平臺(tái)結(jié)束后,ID 電流仍維持,VGS 電壓繼續(xù)降低,但此時(shí)降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后穩(wěn)定在VDS = ID × Rds,因此通??梢哉J(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOS 管基本上已經(jīng)導(dǎo)通,為了減少開(kāi)通損耗,一般要盡可能減少米勒平臺(tái)的時(shí)間。

          2   設(shè)計(jì)

          2.1 總體方案設(shè)計(jì)

          電流源的系統(tǒng)框圖如圖3 所示,整個(gè)系統(tǒng)分為輸出部分和回采調(diào)整部分。

          1638325205973375.png

          圖3 系統(tǒng)總體框圖

          輸出部分負(fù)責(zé)控制電壓的產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)調(diào)理電路,控制大功率MOS 管,進(jìn)而控制流經(jīng)MOS 管的電流?;夭刹糠种饕獙?shí)現(xiàn)輸出電流信號(hào)的采樣,大電流信號(hào)經(jīng)過(guò)磁通門傳感器轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào),再經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),計(jì)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,再控制輸出部分,調(diào)整輸出信號(hào),達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出、輸出保持高穩(wěn)定的目的。

          2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

          2.2.1 電壓基準(zhǔn)模塊

          無(wú)論是模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器,想要實(shí)現(xiàn)高性能,都需要一個(gè)的基準(zhǔn)電壓。LM399 保證5×10-7/℃的極低溫漂系數(shù),同時(shí)具有20 μVRMS 最大噪聲,滿足系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)的要求,其硬件電路圖如圖4 所示。

          1638325263209287.png

          圖4 電壓基準(zhǔn)模塊

          LM399 為固定6.95 V 并聯(lián)基準(zhǔn),不在AD5791 和CS5532 所容許的基準(zhǔn)電壓范圍內(nèi),需要配合低溫漂電阻和儀用放大器AD8675 調(diào)節(jié)電壓,以達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)范圍。

          2.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊

          數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的精度決定了輸出系統(tǒng)的精度和調(diào)節(jié)能力,本文選擇ADI 的AD5791 作為DAC,該DAC 具有20 bit 分辨率,1 μs 建立時(shí)間,滿足大部分科研項(xiàng)目要求,且支持雙極性輸出,應(yīng)用更加廣泛,其硬件電路如圖5 所示。

          1638325346676347.png

          圖5 數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路

          AD5791 是一款、快速建立、單通道電壓輸出DAC,分辨率可達(dá)10-6,此類DAC 對(duì)基準(zhǔn)和電源要求較高,內(nèi)部無(wú)緩沖,所以在硬件設(shè)計(jì)中加入了外部緩沖電路,保證電壓控制型號(hào)的穩(wěn)定和精準(zhǔn)。

          2.2.3 誤差放大電路

          電流源在輸出時(shí),輸出信號(hào)會(huì)隨著環(huán)境的變化產(chǎn)生波動(dòng),為了保持輸出的穩(wěn)定,就需要設(shè)計(jì)電路在輸出信號(hào)波動(dòng)的時(shí)候可以自動(dòng)調(diào)整控制型號(hào),保證輸出的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)使用誤差放大電路解決這個(gè)問(wèn)題,硬件設(shè)計(jì)如圖6 所示。

          1638325402895089.png

          圖6 誤差放大電路

          解決波動(dòng)可以使用數(shù)字或模擬兩種方式解決,數(shù)字電路反應(yīng)速度嚴(yán)重依賴于硬件處理速度,且電路復(fù)雜,模擬電路反應(yīng)迅速且電路簡(jiǎn)單,對(duì)于本系統(tǒng)環(huán)境,使用模擬電路解決更為適合。

          誤差放大電路的作用是通過(guò)比較取樣電壓,亦稱反饋電壓與基準(zhǔn)電壓之間的誤差值來(lái)產(chǎn)生誤差電壓,進(jìn)而調(diào)節(jié)晶體管的壓降,使輸出電壓維持不變,在基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定的前提下,誤差放大器是影響線性穩(wěn)壓器性能的關(guān)鍵因素。

          差分輸入式放大器的簡(jiǎn)化電路如圖7所示。

          1638325462561185.png

          圖7 誤差放大器簡(jiǎn)圖

          當(dāng)電源電壓UCC和芯片溫度保持恒定時(shí),由誤差放大器輸出的誤差電壓為:

          image.png

          式中:AVO為放大器的開(kāi)環(huán)增益;β 為反饋系數(shù),image.png由上式解出:image.png

          當(dāng)AVO接近于無(wú)窮大時(shí):image.png

          在UREF和AVO保持不變的情況下,誤差電壓Ur 的溫漂通常為±(5.0 ~ 15)μV/℃,這會(huì)導(dǎo)致Ur 成比例的變化,解決方法是使誤差放大器的輸入晶體盡可能匹配,并使反饋系數(shù)β = 1,此外,當(dāng)電源電壓UCC變化時(shí),Ur 也隨之改變,利用AVO、電源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)都很高的放大器能減少這種影響。AD8675 具有極低電壓噪聲、軌到軌輸出擺幅和低輸入偏置電流的優(yōu)點(diǎn),且電源抑制比和共模抑制比都可以達(dá)到130 dB 以上,符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

          2.2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

          數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)的采樣功能,是保證系統(tǒng)性能主要的模塊,其硬件設(shè)計(jì)電路如圖8 所示。

          image.png

          圖8 信號(hào)調(diào)理電路

          1638523890446036.png

          圖9 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

          模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用CS5532,它采用電荷平衡技術(shù),有24 位性能,對(duì)科研醫(yī)療應(yīng)用中測(cè)量低電平單極或雙極信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)包含超低噪、斬波穩(wěn)定式測(cè)量放大器、數(shù)字濾波器和四階Delta Sigma 調(diào)制器,具有出色的性能和穩(wěn)定性,足以應(yīng)對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

          CS5532 的基準(zhǔn)電壓同樣由LM399 經(jīng)運(yùn)放調(diào)理得出,與AD5791 使用同一基準(zhǔn)源,統(tǒng)一基準(zhǔn)性能的同時(shí),這種設(shè)計(jì)方式可以在系統(tǒng)遇到異常情況時(shí)輸出控制和輸入采樣所遭遇的偏差一致,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

          2.3 軟件控制部分

          數(shù)字控制器采用意法半導(dǎo)體的高性能MCU STM32F407VE,該MCU 具有高達(dá)168 MHz 的主頻和192 kB內(nèi)部RAM 空間,包含3 個(gè)硬件SPI 模塊,用于與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通信和控制,同時(shí)該MCU 支持DSP 指令,使數(shù)據(jù)處理的性能大大增加,系統(tǒng)反饋速度更快、更及時(shí)。

          軟件控制部分設(shè)計(jì)框圖如圖10 所示。

          image.png

          圖10 軟件設(shè)計(jì)框圖

          系統(tǒng)上電開(kāi)始,軟件首先進(jìn)行硬件的初始化工作,并配置系統(tǒng)硬件到安全狀態(tài),配置完成后,啟動(dòng)用戶界面,等待用戶操作。系統(tǒng)在輸出狀態(tài)會(huì)先輸出一個(gè)接近設(shè)定值的初始輸出值,由于輸出的是電流信號(hào),實(shí)際輸出信號(hào)會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化,軟件不斷通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)回讀輸出值,這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出調(diào)節(jié)值。計(jì)算選擇PID 算法,PID 算法是動(dòng)態(tài)控制過(guò)程比較常用的算法,經(jīng)過(guò)調(diào)教,算法能夠在動(dòng)態(tài)過(guò)程中快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地得到良好的效果。使用算法得出的調(diào)節(jié)值能夠再控制信號(hào)輸出系統(tǒng)調(diào)整輸出信號(hào),保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和高精度。

          2.4 電流源高精度的實(shí)現(xiàn)

          2.4.1 控制電壓

          控制電壓由AD5791 經(jīng)過(guò)外部緩沖電路輸出初始信號(hào),基于AD5791 和LM399 基準(zhǔn)電壓的性能保證信號(hào)的穩(wěn)定性,LM399 基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)AD8675 運(yùn)放搭建的調(diào)節(jié)電路輸出10 V 基準(zhǔn)電壓,AD5791 可輸出(0 ~ 10)V的控制電壓。AD5791 的零點(diǎn)誤差可以通過(guò)數(shù)字輸入補(bǔ)償,不會(huì)引起輸出誤差。

          誤差放大電路由AD8675 儀用放大器搭建,該運(yùn)放噪聲極低,偏置很小,并可通過(guò)AD5791 補(bǔ)償部分中和,這部分誤差不會(huì)影響系統(tǒng)指標(biāo)。

          2.4.2 輸出采樣系統(tǒng)

          系統(tǒng)輸出電流信號(hào)高達(dá)300 A,無(wú)法直接使用采樣電阻采樣,本文使用磁通門傳感器技術(shù)將輸出信號(hào)進(jìn)行1:1 000 變比,轉(zhuǎn)化為小電流信號(hào),磁通門傳感器相較于霍爾傳感器,精度更高、抗干擾能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)采用的磁通門傳感器精度可達(dá)10-6/℃。

          采樣電阻是采樣電路重要的一環(huán),本文采用Vishay公司的VPR221t 系列電阻作為采樣電阻,電阻具有2×10-6/℃溫漂,且工作溫度范圍為(-55 ~ 150)℃,具有極高的穩(wěn)定性。

          當(dāng)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)之后,進(jìn)入調(diào)理電路,調(diào)理到合適的電壓范圍,即可使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。CS5532 具有24 bit 分辨率,采樣誤差在10-6 內(nèi),保證系統(tǒng)性能。

          3   實(shí)驗(yàn)結(jié)果

          使用FLUKE 公司的8 位半數(shù)字表8508A 和精度為10-6 的電流傳感器對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。

          image.png

          圖11 測(cè)試結(jié)果

          通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,高穩(wěn)定性系統(tǒng)在較大的輸出范圍下能保證高精度和高穩(wěn)定性,可以為工作人員設(shè)計(jì)系統(tǒng)、測(cè)試電路提供更多便利,目前已應(yīng)用在計(jì)量校準(zhǔn)工作中。

          參考文獻(xiàn):

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          (本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年11月期)

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