作者：Shaury Anand
本文提及其他零件：ADS131M02
測試與量測應用程式如電池測試、電化學阻抗頻譜法和半導體測試需要能精確輸出電流和電壓的DC電源供應。設備控制電流與電壓的準確性須於全刻度範圍的±0.02%，環境溫度變化約為±5°C。準確性大多取決於電流感測電阻和放大器的溫度漂移情形。本文將介紹不同元件如何影響系統準確性，以及如何為精確的DC電源供應設計選擇合適元件。
輸出驅動器
圖1是供電電源的原理圖，包括輸出驅動器、電流和電壓感測電路、控制環路、類比轉數位轉換器(ADC)，及數位轉類比轉換器(DAC)。輸出驅動器的選擇取決於其輸出準確性、雜訊和功率水準。線性電源可做為低功率(<5 W)或低雜訊應用的輸出驅動器。整合了過熱保護與過電流保護的功率運算放大器(op amp)適合用於低功率應用情境。
圖1：DC電源供應的典型原理圖
不過，由於功率耗散，輸出功率較高時使用線性輸出驅動器較具挑戰性，因此輸出功率較高時需要同步降壓轉換器，於輸出端裝設大型濾波器，準確性可達全刻度範圍0.01%以內。舉例而言，利用降壓轉換器，5-V輸出範圍準確性可達到500-µV。需先確認轉換器無脈衝省略和二極體模擬模式，因為這些模式即使在負載較輕的情形下也會增加輸出波動。C2000即時微控制器(MCU)適合作為精準同步降壓轉換器的電源，因為可從軟體停用不需要的功能。
電流與電壓感測
高精度電流分流電阻和低漂移儀表放大器可測量輸出電流。無須擔心儀表放大器的輸入偏移誤差和增益誤差，因為兩者誤差值皆會由系統進行校準。然而，儀表放大器的零點漂移和增益漂移、輸出雜訊，與增益非線性難以校準，因此選擇電流感測放大器時應考量這些誤差。
等式1計算表1中所示電流感測放大器未經調整的誤差總值。共態雜訊抑制比導致的誤差相對小，因此可省略不計。
表列所有放大器中，INA188 誤差值最低。計算誤差時利用 ±5°C 溫度變化，1-A 和 25-A 輸出分別選擇 100-mΩ 和 1-mΩ 電流電阻。
表1：電流感測放大器未調整誤差總值
利用差動放大器或儀表放大器讓使用者能精確的監控負載電壓。放大器感測同時負載輸出電壓和接地，以消除任何因電纜電壓下降導致的誤差。系統校準調整放大器偏移誤差和增益誤差，只留下輸入零點漂移。漂移能以百萬分之一為單位計算，可由零點漂移除以全刻度電壓計算而得。舉例而言，若全刻度電壓範圍為 2.5-V，零點漂移為1-µV/°C，漂移將為 0.4 ppm/°C。若需要較低輸出電壓漂移，可選擇 OPA188等零漂移運算放大器，輸入零點漂移最大值為 85 nV/°C。不過，零點漂移為1-µV/°C的精準運算放大器足以因應多數應用情境。
類比轉數位轉換器(ADC)
ADC的偏移誤差和增益誤差可由系統校準。ADC漂移和非線性導致的誤差則難以校準。表2比較三種不同高精度ΔΣ調變ADC的誤差，溫度變化為 ±5°C。表列所有ADC中，ADS131M02 誤差值最小。誤差計算已排除ADC的輸出雜訊和電壓參考誤差。
表2：ADC未調整誤差總值
可藉由提升ADC過取樣的比例，大幅降低雜訊導致的誤差。低雜訊 (<0.23 ppmp-p) 且低漂移電壓參考(<2ppm/°C)的產品如 REF70 足以因應DC直流電源的應用情境。該裝置運作0至1,000小時，長期漂移僅 28 ppm。接著，再往後1,000小時的後續漂移將遠低於 28。
控制環路
圖2顯示供電電源的類比控制環路。儘管不須定電流輸出，維持定電流環路有助於短路保護。定電流環路將藉由降低輸出電壓、以限制輸出電流，且電流限制可經由參考電流(IREF)設定進行編碼。
在定電流和定電壓環路之間使用二極體，有助於定電壓至定電流的轉換，反之亦然。多工器友善的運算放大器 適合定電流和定電壓環路，可避免開放環路運算的放大器輸入之間出現短路。任何控制環路處於開放環路情境中，運算放大器可能在輸入針腳觀察到大於0.7 V的差分電壓。非多工器友善的運算放大器於輸入針腳具備反平行二極體，差分電壓不可超過二極體壓降。因此，非多工器友善的運算放大器會增加放大器的偏壓電流，可能導致裝置自我加熱、系統因電流與電源阻抗交互作用而不準確。
圖2：定電流和定電壓環路電路圖
使用者同樣可於C2000即時MCU的數位網域中執行控制環路。高解析度脈衝寬度調變、精準ADC和其他C2000即時MCU的類比周邊可減少元件總數量和材料成本。C2000即時MCU產品組合包括16位元和12位元ADC選項。
結論
考量溫度漂移與雜訊規格，同時設計測試與量測應用所需的DC電源供應，若選擇低漂移放大器和ADC產品，可達誤差低於0.01%的準確度。
其他資源
- 參閱 放大器電池測試系統的精準放大器系列影片。
- 數位控制非隔離式DC/DC降壓轉換器參考設計 提供降壓轉換器執行範例。
- 閱讀技術文章「如何為各種尺寸、電壓和形狀的電池設計單一電池測試器」，深入了解數位控制環路的優點。
- 欲知測試資料細節，請參閱高電流應用的電池測試器參考設計。
