一种高精度高分辨率可编程电源电路的制作方法

本发明涉及电源电路领域，具体来说，涉及一种高精度高分辨率可编程电源电路。

背景技术：

随着国民经济的快速发展以及电气化设备的广泛使用，用电设备的负载形式日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特征的负载造成供电网电能质量的恶化。在另一方面，现代快速发展的高新技术产业对电能质量的要求却越来越高。其中电能质量定义为导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差。一旦一些对电能要求敏感的用电用户发生电能质量的相关问题，往往会产生巨大的经济损失。

目前的电源主要包括有两种类型，一种是开关输出型电源，另一种是线性电源。开关输出型电源的转换效率较高，发热较小，但是纹波大，精度低。线性电源的纹波小，精度高，但是发热较大。可编程电源属于线性电源的一种。可编程电源在很多领域有着巨大的需求，如新能源领域中分布式发电的系统联网试验、emc实验、自动试验系统、自动检查系统、再现电源异常等。目前的可编程电源在输出分辨率和精度上都不太理想，在高端应用场合，特别是芯片的检测应用场合完全没法达到要求。可编程电源普遍存在分辨率低，精度低，纹波不能到达高端市场应用的需求。高端的电源分辨率也只在16bit，且精度在0.05％左右，完全无法适应芯片级检测的需求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种高精度高分辨率可编程电源电路，能够实现恒压恒流输出，适用于高端市场对于分辨率极高，精度极高，温度系数极小，且输出纹波极低的应用场合。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高精度高分辨率可编程电源电路，其特征在于，包括整流器vd、三极管t、运算放大器模块、dac模块、电阻网络、负载模块和mcu，

其中所述整流器vd一端连接交流输入端，另一端连接到所述三极管t的集电极，所述三极管t的发射级连接到输出端out，所述三极管t的基极与所述运算放大器模块的输出端连接；所述运算放大器模块的输入端分别连接所述电阻网络和所述dac模块，所述mcu连接至所述dac模块，所述负载模块连接至输出端out和所述运算放大器模块。

进一步地，所述运算放大器模块包括第一放大器amp1、第二放大器amp2、第三放大器amp3，第一放大器amp1和第二amp2的输出端连接至三极管t的基极，第三放大器amp3的输出端连接至第一放大器amp1的第一输入端，第三放大器amp3的输入端连接至电阻网络，第二放大器amp2的第一输入端连接至负载模块，第一放大器amp1和第二amp2的第二输入端均连接至dac模块。

进一步地，所述dac模块包括：dac1、dac2，dac1一端连接至第一放大器amp1的第二输入端，另一端连接至mcu，dac2一端连接至第二放大器amp2的第二输入端，另一端连接至mcu。

进一步地，所述负载模块包括：可调节负载z1和负载z2，负载z2一端连接至可调节负载z1以及第二放大器amp2的第一输入端，另一端接地。

进一步地，所述电阻网络的连接走线s+和s-连接至可调节负载z1的两端，用于进行四线制差分采样，有效补偿电流在导线上产生的线损电压。

进一步地，所述mcu还连接至通讯模块和显示模块。

进一步地，还包括有基准电压源，用于为可编程电源电路提供基准电压。

进一步地，还包括电容c，所述电容c的上极板连接至整流器vd的输出端和三极管t的集电极，下极板接地。

进一步地，还包括有adc采集模块，连接至所述运算放大器模块、所述mcu和所述负载模块，用于采集负载模块的电流信号，经由mcu对dac模块的输出实现高精度高分辨率控制。

进一步地，所述adc采集模块包括adc1、adc2，adc1连接至第一放大器amp1的第一输入端以及mcu，adc2连接至第二放大器amp2的第一输入端、负载z2的接地端以及mcu。

本发明的有益效果：本发明的高精度高分辨率可编程电源电路，采用高精度adc采集，再通过高分辨率的dac去控制输出，从而实现高精度高分辨率的电源电路，适用于高端市场对于分辨率极高，精度极高，温度系数极小，且输出纹波极低的应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的高精度高分辨率可编程电源电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

图1示出了本发明实施例所述的高精度高分辨率可编程电源电路的原理图。根据本发明实施例所述的一种高精度高分辨率可编程电源电路，包括整流器vd、三极管t、运算放大器模块、dac模块、电阻网络、负载模块和mcu，其中所述整流器vd一端连接交流输入端，另一端连接到所述三极管t的集电极，所述三极管t的发射级连接到输出端out，所述三极管t的基极与所述运算放大器模块的输出端连接；所述运算放大器模块的输入端分别连接所述电阻网络和所述dac模块，所述mcu连接至所述dac模块，所述负载模块连接至输出端out和所述运算放大器模块。

整流器vd将交流输入端所输入的交流信号转化为直流信号，运算放大器模块、dac模块和电阻网络根据mcu给出的控制信号，实现高分辨率的信号调整输出，经由npn三极管t输出信号至输出端out。

优选地，所述运算放大器模块包括第一放大器amp1、第二放大器amp2、第三放大器amp3，第一放大器amp1和第二amp2的输出端连接至三极管t的基极，第三放大器amp3的输出端连接至第一放大器amp1的第一输入端，第三放大器amp3的输入端连接至电阻网络，第二放大器amp2的第一输入端连接至负载模块，第一放大器amp1和第二amp2的第二输入端均连接至dac模块。

优选地，所述dac模块包括：dac1、dac2，dac1一端连接至第一放大器amp1的第二输入端，另一端连接至mcu，dac2一端连接至第二放大器amp2的第二输入端，另一端连接至mcu。

在本实施例中，采用的是18bit的dac进行编程输出，dac输出控制的精度虽然不够高，但是分辨率很高，这就为实现高精度采集以后，能更细的刻度去调整输出。

优选地，还包括有基准电压源，用于为可编程电源电路提供基准电压。

低温飘系数是保证高精度的前提。为实现低温飘系数，本实施例在多处进行了较为严格的处理。首先，为可编程电源电路提供基准电压的基准电压源，采用高精度带恒温槽的芯片，可达到1ppm/℃。其次，运算放大器模块采用超高精度，超低温飘的放大器，仅0.01uv/℃。再次，参与运算的电阻，采用低温漂电阻网络，匹配度可达0.025％，温飘匹配度可达0.2ppm/℃。参与运算的电阻网络中，个体的漂移不重要，关键是整个网络漂移的一致性要好，本实施例将其保证在10到40℃的温度范围内，输出电压和电压采集回显达到0.0016％的超高精度。电流控制和采集与电压环路相似，电流采样电阻采用了高精度，低温漂的四线电阻，可达到5ppm/℃的低温漂值。整个电流控制输出和采集回显可在10到40℃的温度范围内，达到0.01％的超高精度。

由此，本实施例中的mcu连接至dac2和第二放大器amp2的支路能够实现对输出信号的大幅度调整；而mcu连接的dac1以及第一放大器amp1、第三放大器amp3和电阻网络的支路中，由于电阻网络能够实现低温飘系数，且采用的是超高精度，超低温飘的放大器，能够实现控制输出信号达到超高精度。

优选地，所述负载模块包括：可调节负载z1和负载z2，负载z2一端连接至可调节负载z1以及第二放大器amp2的第一输入端，另一端接地。

可调节负载z1的一端连接至输出端out，另一端连接至负载z2和第二放大器amp2的第一输入端。当负载电流小于设置电流时，可实现恒压输出。当负载较重，超过设置电流时，电源会恒流在设置电流输出，此时的电压会下降。

优选地，所述电阻网络的连接走线s+和s-连接至可调节负载z1的两端，用于进行四线制差分采样，有效补偿电流在导线上产生的线损电压。s+和s-为差分双绞走线，可有效抑制空间的干扰，达到高精度测量的目的。通过电阻网络和amp3将负载端的电压变换到dac可控制以及adc可采集的电压范围内。本实施例采用的是一个电阻网络，由于电阻网络内的电阻在一个硅晶圆上采用相同的工艺一次生产而成，所以温漂的一致性较好，各电阻之间相对温漂可达0.2ppm/℃。

优选地，所述mcu还连接至通讯模块和显示模块。通讯模块和显示模块属于人机交互界面，可以实现相应的人机通讯设置以及将采集的信号进行显示等。

优选地，还包括电容c，所述电容c的上极板连接至整流器vd的输出端和三极管t的集电极，下极板接地。电容c的作用是过滤整流器vd转换输出的直流信号中的交流信号噪音，以提高信号的精度。

优选地，还包括有adc采集模块，连接至所述运算放大器模块、所述mcu和所述负载模块，用于采集负载模块的电流信号，经由mcu对dac模块的输出实现高精度高分辨率控制。adc采集模块包括adc1、adc2，adc1连接至第一放大器amp1的第一输入端以及mcu，adc2连接至第二放大器amp2的第一输入端、负载z2的接地端以及mcu。本实施例采用的是24bit的adc。采用18bit的dac进行编程输出，24bit的adc进行采集，实现高分辨率，高精度的输出控制和采样回显。由于采集用的adc精度高于控制用的dac，所以在高精度采集以后，通过高分辨率的dac对输出进一步进行输出的调整，从而到达更高的输出精度。

如图1所示，本发明的可编程电源电路使用交流220v供电输入，采用变压器降压，全波整流，滤波后采用大功率mos调整输出。mos工作在线性区域，整个环路无开关噪声，输出纹波极低。控制环路分为电压控制环路和电流控制环路两部分。其中，电流控制环路为amp2，dac2以及采样电阻z2组成的电路。采样电阻z2采用高精度的四线制电阻，温漂系数可达2ppm/℃。由于此处的信号较小，采用四线制差分采样可有效避免因导线电流导致的采样误差。电压控制环路为amp1，dac1，amp3，电阻网络4块组成的电路。电压采样使用四线制差分采样，s+和s-为采样线，与电流驱动线d+和d-分开走线，将采样线直接连接至负载两端，可以有效补偿掉因为电流在导线上产生的线损电压。s+和s-为差分双绞走线，可有效抑制空间的干扰，达到高精度测量的目的。通过电阻网络和amp3将负载端的电压变换到dac可控制以及adc可采集的电压范围内。

本发明的电压精度为0.0017％f.s.，由于高精度的电压控制需要更高精度的电压采集，本发明采用低偏执电压，低温漂的高精度运放，偏执电压3uv，温漂0.01uv/℃，可保证高精度变换。参与运算的电阻精度在本发明中显得尤其重要，如果电阻的温漂过大，导致运算结果会有较大的偏差。常规的电阻温漂在100ppm/℃，高精度的电阻也很难做到2ppm/℃以内的指标。本发明的完全运算电路为线性运算，相对精度保证后，电阻绝对精度不会导致运算的偏差。

此外，本发明的电压控制环路和电流控制环路各使用一个二极管连接至mos管的控制级。由于二极管的反相不导通特性，保证了同一时间只有电压环路或者电流环路控制生效，从而达到负载电流未超过设定电流时为恒压输出，超过设定电流后为恒流输出。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明的高精度高分辨率可编程电源电路，采用高精度adc采集，然后再通过高分辨率的dac去控制输出。dac输出控制的分辨率很高，这就为实现高精度采集以后，能更细的刻度去调整输出。并且本发明在各个环节都尽可能的实现超低的温度漂移，包括基准电压源、运算放大器模块，电阻网络等。本发明的可编程电源电路能够实现恒压恒流输出，适用于高端市场对于分辨率极高，精度极高，温度系数极小，且输出纹波极低的应用场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。