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                一种数控高稳定性直流大电流信号源系统

                作者:李越超,韩冰,孙向平(北京普瑞姆赛斯科技有限公司,北京 101102)时间:2021-12-01来源:电子╱产品世界
                编者按:针对目前大电流源常见的输出范围小和精度不高的问题,设计了一种闭环控制的大电流直流信号源,系统具备高精度、高稳定性、可拓展、小体积等特点。基于该系统设计的大电流源精度较高、稳定性高,采用24 bit的模数转换器和高达20 bit的最高精度数模转换器,性能优于一般模拟控ξ 制方案。系统具有较高的集成度,在实现大电流、大功率输出标准值的情况下,体积控制在3U机箱内。同一机柜可并联使用多个々系统实现更高电流输出,功能更♀加强大,应用前景广泛。


                本文引用地址:/91sobn/article/202112/430012.htm

                0   引言

                在测试测量、计量校准领域中,大电流源是不可或缺的仪器,在科研国防及新能源领域中应用广泛。目前,多数电流源普遍采用压控方式,首先需要产生控◣制电压,然后经电压- 电流转换︼实现电流输出。由ω于控制电压产生方式、质量,以及电压- 电流转换电路的实现方式的不同,电流源在输出范围和输出精度上有较大差异。在测试系统、校准设备等应用环境中,电流输出多直接采用电流输出型D/A 转换器产生,这种方式虽然精度∞可以达到》μA 级别,但由于D/A 转换器的输↘出电流范围较小,所以这类电流源的输出不会超过几mA,很难保证校准设备测试环节中动辄几百到几千A 的需求。针对上述问题,设计实现了一种数控大电流源卐系统,系统以20 位DAC 产生控制电压信号,采用模拟电路实现电压- 电流转换,采用磁通门传▃感器、低温漂电阻及24 位ADC 对输出进行采样,利用一整套系统进行,确保输出

                1   原理

                1.1 MOS管控制电流原理

                MOS 管是电压控制器件,需要使用电压控制G 角来实现对管子╱电流的控制。最常见↑的是增强型N 沟通MOS 管,使用一个电压来控制G 的电压,导通电压一般在(2 ~ 4)V,若要完全控制,这个值一般要上升到10 V 左右。

                以N 沟道MOS 管为例,Vt 是其导通的阈值电压,当image.png时,源极漏』极之间隔着P 区,漏结反偏,故无漏极电流⌒,MOS 管不导通;当image.png时栅极下的p型硅表面发生强反型,形成连」通源区和漏区的N 型沟道产生漏极电流ID,MOS 管导通。

                对于恒定Vds,Vgs 越大,则沟道中可移动的电子越多,沟道电阻就越小,ID 就越大,当然这个Vgs 大到一定值,电压再大,ID 也不会再有太大的变化了。MOS 管的漏、源、栅极都有寄生电容,分别是Cds、Cgd 和Cgs,如图1 所示。

                image.png

                图1 MOS管的『寄生电容

                其中

                Cds = Coss(输出电容);

                Cgd + Cgs = Ciss(输入电容);

                1638324980983595.png

                图2 MOS管开关过程中栅极电荷特性

                图2中,VTH 为开关阈值电压;VGP 为米勒平台电压;VCC 为驱动电路的电源电压;VDD 为MOS 关断时D 和S极施加的电压。

                T1 阶段:当驱动开通脉冲加到MOS 管的G 极和S极时,输入电容Ciss 充电直到MOS 管开启为〓止,开启时有Vgs = Vth,栅极电压达到Vth 前,MOS 管一直处于关断状态,只有很小的电流流︽过MOS 管,Vds 的电压Vdd 保持不变。

                T2 阶段:当Vgs 到达Vth 时,漏极开始流过电△流ID,然后Vgs 继续上升,ID 也逐渐上升,Vds 保持VDD 不变,当Vds 到达米勒平台电压Vgp 时,ID 也上升到负载电流最大值ID,VDS 的电压开始♀从VDD 下降。

                T3 阶段:米勒平台器∮件,ID 继续保持ID 不变,VDS电压不断〓降低,米勒平台技①术时刻,ID 电流仍维〓持,VDS 电压降到一个较低的值。米勒平台的高度受负载电流的影响,负载电流越大,则ID 到达此电流的时间就越长,从而导致更高的VGP

                T4 阶段:米勒平台▲结束后,ID 电流︼仍维持,VGS 电压继续降低,但此时降低的◣斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后稳定在VDS = ID × Rds,因此通常可以认为米勒♀平台结束后MOS 管基本上已经导通,为了减少开通损耗,一般要尽可能减少米勒平台的时间。

                2   设计

                2.1 总体↑方案设计

                电流∴源的系统框图如图3 所示,整个系统分为输出部分和回采◢调整部分。

                1638325205973375.png

                图3 系统总体框图

                输出部分负责控制电压的产生,经过调理电路,控制大功率MOS 管,进而控制流〒经MOS 管的电流。回采部分主要实现输出电流【信号的采样,大电流信号经过磁╱通门传感器转换为小电流信号,再经过→采样电阻转换为电压信号,计入模数转换器采集,经过数据处理,再控制输出部分,调整输出信号,达到动态调整输出、输出保持高稳定的目的。

                2.2 硬件电路设卐计

                2.2.1 电压→基准模块

                无论是模数转换器或数模转换器,想要实现高性能,都需要一个的基准电压。LM399 保证5×10-7/℃的极低温漂系数,同时具有20 μVRMS 最大噪声,满足系统对◆基准的要求,其硬件电路图如图4 所示。

                1638325263209287.png

                图4 电压基■准模块

                LM399 为固定6.95 V 并联基准,不在AD5791 和CS5532 所容许的基准电压范围内,需要配合低温漂电▼阻和仪用放大器AD8675 调节电压,以达到模数转换器和数模转换器基准范围。

                2.2.2 数模转换器模块

                数模转换器(DAC)的精度决定√了输出系统的精度和调节能力,本文选择ADI 的AD5791 作为DAC,该DAC 具有20 bit 分辨率,1 μs 建立时间,满足大部分科研项目要求,且支持双⌒极性输出,应用〗更加广泛,其硬件电路如↙图5 所示。

                1638325346676347.png

                图5 数模转换器电路

                AD5791 是一款、快速建立、单通道电压输出DAC,分辨率可达10-6,此类DAC 对基准和电源要求较高,内部无缓冲,所以Ψ 在硬件设计中加入了外部缓冲电路,保证电压控制型号的稳∏定和精准。

                2.2.3 误差放◣大电路

                电流源㊣ 在输出时,输出信号会随着环境的变化产生波动,为了保持输出的稳定,就需要设计电路在输出信号波动的时候可以自动调整控制型号,保证输▲出的稳定性。本设计使用误差放〗大电路解决这个问题,硬↓件设计如图6 所示。

                1638325402895089.png

                图6 误差放大电路

                解决波动可以使用数字或模拟两种方式解决,数字电路反应速度严重依赖于硬件处理速度,且电路复杂,模拟电路反应迅速且电路简单,对于本系统环境,使用模拟电路解决∞更为适合。

                误差放大电路的作用是】通过比较取样电压,亦称↓反馈电压与基准电压之间的误差值来产生误差电压,进而调节晶体管的①压降,使输出电压维持不变,在基准电压稳定的前提下,误差放大器是影响线性稳压器性能的关键因素。

                差分输入式放大器的简化电路如々图7所示。

                image.png

                图7 误差放大器简图

                当电源电☉压UCC和芯片温度保持恒定时,由误差放大器输出的误差电压为:

                image.png

                式中:AVO为放大器的开环增益;β 为反馈系数,image.png由上式解出:image.png

                当AVO接近于无穷大时:image.png

                在UREF和AVO保持不变的情况下,误差电压Ur 的温漂通☉常为±(5.0 ~ 15)μV/℃,这会导致Ur 成比例的变化,解决方法是使∴误差放大器的输入晶体尽可能匹配,并使反馈系数β = 1,此外,当电源电压UCC变化时,Ur 也随之改变,利用AVO、电源抑◇制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)都很高的〖放大器能减少这种影响。AD8675 具有极低电压噪声ㄨ、轨到轨输出摆幅和低输〇入偏置电流的优点,且电源抑←制比和共模抑制比都可以达到130 dB 以上,符合系统设计要求。

                2.2.4 数据采集模块

                数据采集模块实现了输出信号的采样功能,是保证系统〗性能主要的模∩块,其硬件设计电←路如图8 所示。

                image.png

                图8 信号⌒调理电路

                1638523890446036.png

                图9 模数转换电路

                模数转换器采用∑ CS5532,它采用电荷平衡技术,有24 位性能,对科研医疗应用中测量低电平单极或双极信号进行了优化,同时包含超低噪、斩波稳定式测量放大∩器、数字滤波器和四阶Delta Sigma 调制器,具有出色的性能☆和稳定性,足以应对ξ本系统设计要求。

                CS5532 的基准电压同样由LM399 经运放调理得出,与AD5791 使用同一基准源,统一基准性能的同时,这种设计方式可以在系统遇到异常情况时输出控制和ζ输入采样所遭遇的偏¤差一致,增强系统的稳定★性。

                2.3 软件控制〗部分

                数字控制器采用意法半导体的高性能MCU STM32F407VE,该MCU 具有高达168 MHz 的主频和192 kB内部RAM 空间,包含3 个硬件SPI 模块,用于与模数转换器和数模转换器的通信和控制,同时该MCU 支持DSP 指令,使数据处理的性能大大增加,系统反馈速度更快、更及时。

                软件控制部分设计框图如图10 所示。

                image.png

                图10 软件设计框图

                系统ω 上电开始,软件首先进行硬件的初始化『工作,并配置系统硬件到安全状态,配置完成后,启动用户界面,等待用户操作。系统在输出状态会先输出一个接近设定※值的初始输出值,由于输出的是电流信号,实际输出信号会随着负载的变化而变化,软件不断ぷ通过数据采集系统回读输出值,这些数据经过计算得出调节值。计算选择PID 算法,PID 算法是动态控制过程比较常用的算法,经过调教,算法能够在动态过程中快速、平稳、准确地得到良好的效果。使用算Ψ法得出的调节值能够再控制信号输出系统调整输出信号,保证输出信号的稳定性和高】精度。

                2.4 电流源高精度的∮实现

                2.4.1 控制电压

                控制电压由AD5791 经过外部缓冲电路输出初始信号,基于AD5791 和LM399 基准电压的性能保证信号的稳定性,LM399 基准电压经过AD8675 运放搭建的调节电路输出10 V 基准电压,AD5791 可输出(0 ~ 10)V的控制」电压。AD5791 的零点误差可以㊣通过数字输入补偿,不会【引起输出误差。

                误差放大电路由AD8675 仪用放大器搭建,该运放噪声极低,偏置很小,并可通过AD5791 补偿部分中和,这部分误差不会影响系统指标。

                2.4.2 输出采样系统

                系统输出电流信号「高达300 A,无法直接使用采样电阻采样,本文使用磁通门█传感器技术将输出信号进行1:1 000 变比,转化为小电流信╱号,磁通门传感器相较于霍尔传感器,精度更高、抗干扰能力更强的优点,系统采用的磁通门传感器精度可达10-6/℃。

                采样电阻是采样电路重要的一环,本文采用Vishay公司的VPR221t 系列电阻作为采样电阻,电阻具有2×10-6/℃温漂,且工ω作温度范围为(-55 ~ 150)℃,具有极高的稳▆定性。

                当电流信号经过采样电阻转化为电压信号ㄨ之后,进入调理电路,调理到合适的电压范围,即可使用模数转换器进行数据采集。CS5532 具有24 bit 分辨率,采样误差在10-6 内,保证系@ 统性能。

                3   实验结果

                使用FLUKE 公司的8 位半数ω字表8508A 和精度为10-6 的电流ξ 传感器←对系统性能进行测试,测试结果如』图11 所示。

                image.png

                图11 测试结果

                通过实∏验验证,高稳定性系统在较大的输出范围下能保证高精度和高稳定性,可以为工作人员设计系统、测试电路提供更◣多便利,目前ω 已应用在计量校准工作中。

                参考文献:

                [1] 王少军,彭喜元,刘大同.一种高精度直流电流源设计[C].2009中国仪器仪表与测控技术大●会论文集, 哈尔滨,2009-7-23.

                [2] 马薇,陈立伟,袁静.直流电流源的特性分析与电路设计[J].长春工程学院学报(自然科学版),2016(2):29-33.

                [3] TIAN X.Research and implementation of 100 A pulsed current source pulse edge compression[J].中国邮◣电高校学报(英文版),2016(2):73-78.

                [4] 杨韬悦,张士科,杨新华.一种大电流高精度电流源设计[J].电子设计工程,2017(22):158-161.

                [5] 张丹,李东胜.电压源和电流源在等效¤变换中的合理匹配〓分析[J].微型电脑应用,2013(10):15-17.

                (本文来源于《电子∞产品世界》杂志社2021年11月期)

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