原创 PWM标准电压源粗解

2013-1-27 14:36 1936 8 8 分类: 模拟
PWM标准电压源粗解
PWM源发展简史


PWM是英文脉冲宽度调制的词头缩写,在开关电源中广泛应用,为大家所熟悉。PWM技术在标准电压源中的应用,估计大家就了解不多了,其实原理一样,但是为了做到高稳高分辨率,电路复杂程度就不是一般的了,有复杂的软件配合硬件电路,早期的也有用数字逻辑IC实现的软件功能。目前主流的多功能校正源几乎无一例外都使用的是PWM技术产生任意值电压。
早在60年代,日本武田就推出了PWM技术的TR6120校正源,这是第一款商品化的PWM校正源,当时叫做时间分割计数的电压源,与传统的电阻分割校正源原理完全不一样。70年代早期,FLUKE在其交流校正源5200A中,使用了这种技术。并在其后期的产品中5100系列校正源,5440系列校正源,现在主流的57005500系列中都用沿用这种技术。特别是5440B,把这种技术的沿用发挥到了登峰造极的地步,其优异的指标性能,至今无后来者。除了FLUKE家族,以前世界的另一大标准源供应商DATRON(WAVETEK),现在也归FLUKE旗下了,也推出了全系列的PWM标准源,早期的4000系列,后来的47004800系列无一例外地用PWM技术。并创造性地把PWM技术用于固定电压标准源中,开发了4910系列标准源,至今仍然是年稳指标的记录保持者。

PWM电压源的原理


做过PWM斩波开关电源的朋友都知道,其输出电压的计算公式为

VO=VI×(TON/T)


式中为VI输入电压,T为PWM波的周期,TON为PWM波高或者低电平的持续时间,TON/T也叫做占空比。
在开关电源中希望VO不变,但是VI会变,因此通过采样回路,改变TON就可以保持它们的乘积VO不变。
在PWM标准电压源中的原理几乎一样,只是输入的VI用高度稳定的基准电压VREF代替了,由于目前的技术已经可以把时间的稳定度做到比电压高几个数量级,因此认为式中的T也是一个恒定的不变量,只要有不同宽度的TON,那么就可以输出来不同的电压VO,稳定度与基准电压VREF几乎无差别。

PWM高分辨电压源的实现方式


高分辨源至少要做到6.5位以上的分辨率,那么对于一个满度输出10V的电压,最低的分辨率是10uV,步进制也是10uV.如果使用的参考电压也是10V,那么输出10 uV时,由上面的公式可以计算出

10000000/10= TON/T=1000000


就是要求TON/T的比例值为1000000,在电路中如何选取合适的T是有原则。由于PWM波的直流分量是通过低通滤波器平滑滤波所得,所以这个滤波器要设计得容易实现,那么这个T就不能太小,也就是说频率不能过于低了,否则这低通滤波器的体积将庞大无比,并且过低的频率滤波效果极其差,输出电压低频噪音大,这是标准源的大忌。如果T选到8mS以下(频率高于125Hz),滤波器的设计就比较容易实现。按8mS计算,我们可以得到TON= 8E-6 mS,也就是8nS的脉冲宽度,是一个非常窄的脉冲,目前要做到这样的窄脉冲的生成,传递到开关器件,都是非常困难的,即使要实现也不经济。那上述的产品是如何实现的呢,这就是所谓的两路PWM合成技术。原理如下,

VO=VREF×TON1/T+ (TON2/T )/RR


使用了两路开关电路,然后通过运放做加法运算合成得到所要的电压。也就是说,要求的输出电压通过2路合成的,第一路负责V到mV级的分辨率,第二路负责mV到uV级,甚至nV级的分辨率。在保证T的同时,巧妙解决极窄TON的问题。我们以FLUKE5440B来看看这几个参数的实际值,5440B的PWM周期是83Hz,那么T为1/83,约为12.048 mS,每一路的满度计数值是24096,那么对应的最小TON是500nS,这个值用不太特殊的器件都容易实现。再来看看分辨率,5440B使用的基准电压VREF是13.25V,第一路PWM的最小分辨率是13.25V/24096,为0.5498mV。在5440B硬件电路设计中,RR(后面有解释)设计值为7200,再看第二路PWM的最小分辨率(13.25V/24096)/7200,为76.37nV,分辨率足够高了,完全满足7.5位的分辨率。
在数字运算电路中,一般都是脉冲计数,如果一个周期T的计数个数对应N,TON1和TON2分别对应的计数个数是N1N2那么上式整理一下为

VO= VREF/N(N1+ N2/RR)


N——为时间分割计数器的总计数值,N1为1通道的对应输入电压的计数值,N2为2通道的对应输入电压计数值
RR——为1和2通道的衰减比例,也叫分辨率比例
在实际电路中,运放合成后,还会出现失调电压,也可能不同的电路还有增益。所以实际的应用数学表达式是这样的,

VO=K×VREF/N(N1+ N2/RR)-VOS


K——为后面滤波器和缓冲器的增益,对基本量程而言,没有放大也没有衰减,为1
VOS——为滤波器和缓冲器的失调电压,为了可以软件校正也人为引入一个固定的反向小电压之和
根据我手中的资料,我计算了一些源的值,RR这个值在FLUKE5440B为7200(满度计数N=24096),FLUKE5700A设计为16250(满度计数N=42105),国产YJ93为16024(满度计数N=16384),FLUKE 5500A中为2200(满度计数值8192)。

以上内容转贴自thy888

 

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