程控高精度四象限电源的设计

金佛荣，李志杰，郑天云

(甘肃工业职业技术学院 电信学院，甘肃 天水 741025)

0　引言

高精度的电源是科学试验及电子产品研发、测试必不可少的工具[1]，不同于普通电源的伏安特性曲线工作的一、三象限，四象限电源的伏安特性曲线可以工作在四个象限，可以使测试工作变得便捷，从而省去搭建测试平台所需的人力财力[2]。目前我国市场上高精度电源被国外产品垄断，可用于测试实验的四象限电源处于空白状态，针对这种现状，进行了高精度程控四象限电源的研制工作，通过大量的理论分析与测试，掌握提高电源精度及四象限工作的核心技术，最终开发出样机，为打破国外产品对我国市场的垄断奠定基础。

1　总体设计

采用硬件反馈、闭环控制、经验数据修正、选择低温漂的器件及科学的PCB布局布线来提高精度和可靠性[3-4]；通过双极性放大电路解决四象限输出问题，借助大功率运放解决功率问题；通过使用高精度、高稳定性的18位A/D和16位D/A提高分辨率，最终制做出指标达标的样机[5-6]。如图1所示，电源的电路包括数字电路和模拟电路两部分。数字部分主要完成目标值设置及显示、通过控制算法计算相应DA值并向模拟电路输出DA值、回读模拟电路的AD值、通过控制信号线控制继电器完成电流模式及电压模式的切换，以及电源输出的关闭与开启。模拟电路主要实现DA信号的放大、电流电压的输出、取样、硬件反馈及输出调整、过流过压保护[7-8]。

图1　数字电路和模拟电路信号关系

2　电源的电路设计

2.1　数字电路设计

数字电路的设计框图如图2所示。主要由CPU、AD/DA转换电路、键盘、数字旋钮、串口、数码管和指示灯构成。CPU选用STM32F104，因为该芯片内核是ARM公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的Cortex-M内核，具有标准的ARM架构和高性能、低电压、低功耗、创新的内核以及外设、简单易用、自由、低风险的特点[9-10]。

图2　数字电路组成

AD选用ADS1256，ADS1256 是TI 公司Burr-Brown 产品线推出的微功耗、高精度、8 通道、24 位△-Σ型高性能模数转换器(ADC)。该器件提供高达23 bit的无噪声精度、数据速率高达30 ksps(次采样/s)、0.001 0%非线性特性(最大值)以及众多的板上外设(输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器等)，可带来完整而高分辨率的量测解决方案[11-12]。

DA选用DAC8562，DAC8562是一款完整的并行输入、16位电压输出数模转换器，采用+5 V单电源供电。这些单芯片DAC采用CBCMOS工艺制造，适合仅有+5 V电源的系统，具有成本低、易于使用的特点。 除DAC外，片内还集成了一个轨到轨放大器、锁存器和基准电压源。基准电压(REFOUT)调整至2.5 V，片内放大器则将DAC输出提升至4.095 V满量程。用户只需提供+5 V电源。DAC8562采用标准二进制编码方式。运算放大器输出摆幅为0 ～+4.095 V，分辨率为每位1 mV，能够驱动±5 mA电流。由于采用低温度系数硅铬薄膜电阻，因此相对于数字输入码的线性度误差性能十分出色。高速并行数字接口可以与最快的处理器连接，并且处理器无需等待。该接口非常简单，只需一个CE 信号。异步CLR 输入可将输出设置为零电平[13-14]。

键盘的设计示意图如图3所示。除数字键和小数点外，当设置错误时，用重置键删除数字并重新输入，Enter键表示确认设置有效，IS/US用来切换恒流模式、恒压模式，串口用来进入和退出串口(当进入串口后，可以用上位机进行设置)，OUT用来开启和关闭输出。数字键控制某一个变量，IS/US控制某一继电器，用来接通电流采样或电压采样。

图3　键盘设计示意

数码管使用了4个8位数码管，分别显示设置电压、回读电压、设置电流和回读电流。预设5个指示灯：电源指示灯、信号输出指示灯、电压模式指示灯、电流模式指示灯和串口模式指示灯。当按下串口键时，键盘设置失灵，将由上位机通过串口设置和回读电流电压，再次按串口键时，退出串口模式。

2.2　电路模拟设计

模拟部分电路设计是该作品的核心，模拟电路的原理如图4所示，通过框图说明电源的四象限工作原理及恒流恒压原理。主回路A1、缓冲器、Si、Ri和反馈回路A3、S1、A2构成负反馈恒流回路，负反馈稳定后，VI+VF= 0。其中，VI为预设电流对应的电压数值[15-16]。

由叠加原理：

成立。将VP=VQ+VRi代入上式，综合求得：

VS=VS1+VS2=

模拟电路原理如图4所示。

图4　模拟电路原理

主回路A1、缓冲器和反馈回路A5、A4、反向器、A2构成负反馈回路。由负反馈回路电路特性可知，当电路达到稳定且R1=R2，必有VI+VF=0 成立，因为VI和VF的任何偏差都会引起负反馈，自动达到平衡，最终使得VI+VF=0 成立。因此有

如果R4=R5，并且VI=-VF，简化上式得：

由于R10和RV是固定值，通过调节VI输入，就可以得到不同的VO值。也可以理解为，因为VI是恒定值，所以VO也是恒定值[17-18]。S1、S2、S3、S4为模式切换开关，通过继电器控制开关的闭合。当S1、S4闭合，S2、S3断开时将以电流取样作为反馈信号，所示为恒流模式，电压取样信号将通过AD送到CPU并显示。当S2、S3闭合，S1、S4断开时，将以电压取样作为反馈信号，所以为恒压模式，电流取样信号将通过ADC送到CPU并显示。

3　软件设计

根据电源的功能，定义了按键处理模块、数码管显示模块和输出调整模块3个大的软件模块，每个模块的功能用一个函数来实现。按键处理模块对键盘按键进行检测，并返回键值，根据不同的键值调用不同的处理子函数，按键处理函数可以调用的子函数主要有目标值设置函数、模式切换函数和输出开关函数。数码管显示模块实现数码管的驱动。输出调整模块调用输出调整函数，将输出采样值和目标值进行比较，修正输出结果[19]。软件的主程序流程图如图5所示。

图5　主程序流程

按键处理函数的流程图如图6所示。读取键值，如果为数字键，则用该数字更新DA值；否则判断是否为模式切换键，如果是模式切换键，则改变电源的工作模式；否则判断是否为输出开关键，如果是则改变输出的闭合状态；否则判断是否为串口键，是则改变串口状态；否则退出按键处理程序。输出调整程序流程图如图7所示，先读取AD值，与目标值进行比较，计算出误差，再将误差带入PID算法，调整电源的输出[20-21]。

图6　按键处理函数流程

图7　输出调整程序流程

4　实验结果分析

对本文设计方案进行验证，搭建的实验系统如图8所示。

图8　实验系统

该实验系统由构成样机的各个硬件模块及软件构成，具备样机的全部功能，由于工艺较差，性能低于样机，但可以通过该系统对样机进行功能测试及性能评估。通过测试，实验系统具备四象限工作功能，输出电压偏差<0.2%，输出电流偏差<0.5%，最大功率32 W，电流输出范围为-1.1～+1.1 A，电压输出范围为-31～+31 V。目前市场高精度电源的主要品牌有吉时利、安捷伦、福禄克和菊水等，这些均为国外品牌，其特点是精度高、性能稳定，但价格非常高昂，而且除了日本菊水之外，其他厂家未见有四象限电源推广，要做恒流测压和恒压测流实验必须通过用电源、高精度电子负载、高精度万用表搭建的平台去完成。国内仪器企业也未见有具备四象限功能的精密电源推出。该电源在达到目前市场上先进的传统两象限电源的精度外，还具备四象限功能，可以满足测试实验电源的技术要求，填补了市场空白。

5　结束语

本文电源是根据某国内IC测试龙头企业的需求而设计，经验证电源的性能参数符合设计要求。研制成功后首先在IC测试行业进行推广，再逐渐向其他电子设计和测试领域推广。由于该电源可以简化很多电子测试工作且目前在市场上处于空白状态，所以有较好的推广前景。下一步将在独立电源和作为IC测试机的电源板卡2个应用方向进行研究，在独立电源方面加强工艺与外观设计，在电源板卡方面改进PCB板设计。