904953404高精度恒流源設(shè)計(jì)

1、高精度恒流源設(shè)計(jì)目 錄摘 要abstract 0 引言1恒流源入門(mén)1.1 恒流源定義1.1.1 簡(jiǎn)易恒流源1.1.2 運(yùn)放恒流源1.1.3恒流源的基本要素2.電力電子技術(shù)和直流穩(wěn)定電源2.1電力電子技術(shù)的概況2.1.2電力電子器件的發(fā)展概況2.1.3電力電子變換技術(shù)的發(fā)展2.1.4電力電子控制技術(shù)的發(fā)展2.2電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.3直流變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)3高穩(wěn)定度穩(wěn)流電源基礎(chǔ)理論3.1穩(wěn)流電源主要性能指標(biāo)3.2直流穩(wěn)流電源的現(xiàn)狀3.3直流穩(wěn)流電源的發(fā)展趨勢(shì)3.4直流穩(wěn)流電源的分類(lèi)4.1結(jié)論參考文獻(xiàn) 致謝摘 要電流源輸出的電流與外部影響無(wú)關(guān)，是電子儀器設(shè)備的一個(gè)重要組成部分。隨著信息時(shí)代的飛速

2、發(fā)展，電源設(shè)備也逐漸向數(shù)字化的方向發(fā)展。電流源可以看做輸出電壓隨著負(fù)載而變化，保證負(fù)載中的電流恒定不變。以此為思路，本設(shè)計(jì)介紹了一種具有開(kāi)路和過(guò)載保護(hù)的數(shù)字電流源。采用mcs51作為控制電路，tl494作調(diào)整電路。整個(gè)電路效率高，輸出較穩(wěn)定，紋波電流較小。主要性能參數(shù)：最大輸出電壓25v；輸出電流范圍 ；步進(jìn)值20ma。本文先介紹了電流源的應(yīng)用，然后簡(jiǎn)要說(shuō)明電力電子技術(shù)，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始分析電流源的電路相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算，最后分析控制電路。其中，以控制電路的分析為重點(diǎn)，著重說(shuō)明mcs51在電路中的應(yīng)用。先說(shuō)明硬件電路的組成，然后分析各個(gè)程序，說(shuō)明控制的原理。關(guān)鍵字：電流源；數(shù)控；mcs51ab

3、stractcurrents output by current source unrelated with external parts , wich is an important component of electronic equipment. with the rapid development of the information age, power equipment gradually develops in the direction of digit. seeing output voltage with the current sources can load cha

4、nge, ensuring the load current constant unchanged. taking this as a way of thinking, the design of a building and introduced a number of current over load protection sources. mcs51 used as a control circuit, tl494 adjusted circuit. entire circuit efficiency can be higher ,the exporting more stable,

5、and the wave currents become smaller. the first introduced current source applications, and then a brief description of the power of electronic technology, digital technology, and follows the analysis of current sources circuit corresponding parameters calculated, the final is the analysis of contro

6、l circuits. the analysis focused on the control circuit, highlighting mcs51 circuit in the application. first on the composition of the hardware circuit, and then analysis the various of procedures on the control method.keywords : current sources, digital, mcs511緒言恒流源入門(mén)恒流源是電路中廣泛使用的一個(gè)組件，以下是比較常見(jiàn)的恒流源的結(jié)

7、構(gòu)和特點(diǎn)。恒流源分為流出(current source)和流入(current sink)兩種形式。最簡(jiǎn)單的恒流源，就是用一只恒流二極管。實(shí)際上，恒流二極管的應(yīng)用是比較少的，除了因?yàn)楹懔鞫O管的恒流特性并不是非常好之外，電流規(guī)格比較少，價(jià)格比較貴也是重要原因。圖(1) 簡(jiǎn)易恒流源最常用的簡(jiǎn)易恒流源如圖(1)所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對(duì)穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，電流數(shù)值為：i = vbe/r1。這種恒流源優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒(méi)有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點(diǎn)是不同型號(hào)的管子，其be電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號(hào)，也有一定的個(gè)體差異。同時(shí)不同的工作

8、電流下，這個(gè)電壓也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此不適合精密的恒流需求。為了能夠精確輸出電流，通常使用一個(gè)運(yùn)放作為反饋，同時(shí)使用場(chǎng)效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。圖(2)運(yùn)放恒流源典型的運(yùn)放恒流源如圖所示，如果電流不需要特別精確，其中的場(chǎng)效應(yīng)管也可以用三極管代替。電流計(jì)算公式為：i = vin/r1這個(gè)電路可以認(rèn)為是恒流源的標(biāo)準(zhǔn)電路，除了足夠的精度和可調(diào)性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調(diào)試。只不過(guò)其中的vin還需要用戶(hù)額外提供。從以上兩個(gè)電路可以看出，恒流源有個(gè)定式就是利用一個(gè)電壓基準(zhǔn)，在電阻上形成固定電流。有了這個(gè)定式，恒流源的搭建就可以擴(kuò)展到所有可以提供這個(gè)“電壓基準(zhǔn)”的器件上。最簡(jiǎn)

9、單的電壓基準(zhǔn)，就是穩(wěn)壓二極管，利用穩(wěn)壓二極管和一只三極管，可以搭建一個(gè)更簡(jiǎn)易的恒流源。如圖(3)所示：電流計(jì)算公式為：i = (vd-vbe)/r1l431是另外一個(gè)常用的電壓基準(zhǔn)，利用tl431搭建的恒流源如圖(4)所示，其中的三極管替換為場(chǎng)效應(yīng)管可以得到更好的精度。電流計(jì)算公式為：i = 2.5/r1事實(shí)上，所有的三端穩(wěn)壓，都是很不錯(cuò)的電壓源，而且三端穩(wěn)壓的精度已經(jīng)很高，需要的維持電流也很小。利用三端穩(wěn)壓構(gòu)成恒流源，也有非常好的性?xún)r(jià)比，如圖(5)所示。這種結(jié)構(gòu)的恒流源，不適合太小的電流，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候，三端穩(wěn)壓自身的維持電流會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。電流計(jì)算公式為：i = v/r1，其中v是三端穩(wěn)壓

10、的穩(wěn)壓數(shù)值。實(shí)際的電路中，有一些特殊的結(jié)構(gòu)，也可以提供很好的恒流特性，最典型的就是一個(gè)很高的電壓通過(guò)一個(gè)電阻在一個(gè)低壓設(shè)備上形成電流，如圖(6)，這個(gè)恒流源的精度，取決于高壓的精確度和低壓設(shè)備本身導(dǎo)致的電壓波動(dòng)。在一些開(kāi)關(guān)電源電路中，這個(gè)結(jié)構(gòu)用來(lái)給三極管提供偏置電流。電流計(jì)算公式為： i = vin/r1值得一提的是，以上這些恒流源并不都適合安培以上級(jí)別的恒流應(yīng)用，因?yàn)殡娮枭厦嫣蟮碾娏鲿?huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。圖(2)可以通過(guò)使用更小的電阻來(lái)降低這個(gè)熱量，不過(guò)在單電源供電模式下，多數(shù)運(yùn)放都不能有效檢測(cè)和輸出接近地或者vcc的電壓，因此必須使用特殊的器件才能達(dá)到要求。有個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓器件（穩(wěn)

11、壓管，或者tl431等）偏置電阻上面的電壓，使得這個(gè)電壓進(jìn)入運(yùn)放的檢測(cè)范圍。恒流源的基本要素恒流源的實(shí)質(zhì)是利用器件對(duì)電流進(jìn)行反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定。只要能夠得到電流，就可以有效形成反饋，從而建立恒流源。能夠進(jìn)行電流反饋的器件，還有電流互感器，或者利用霍爾元件對(duì)電流回路上某些器件的磁場(chǎng)進(jìn)行反饋，也可以利用回路上的發(fā)光器件（例如光電耦合器，發(fā)光管等）進(jìn)行反饋。這些方式都能夠構(gòu)成有效的恒流源，而且更適合大電流等特殊場(chǎng)合，電力電子技術(shù)的概況隨著19世紀(jì)初電磁學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)，電力技術(shù)得到了很大地發(fā)展，各種電氣設(shè)備如變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)相繼出現(xiàn)，電能成為人們生活中不可缺少的部分

12、。隨后，晶體管特別是三極管的出現(xiàn)促使電子學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的臺(tái)階，集成電路和微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成為可能。伴隨著電力技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，許多新的控制技術(shù)和方法也誕生了。至今，隨著用戶(hù)對(duì)供電要求的提高，電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)融為一體成為一門(mén)新興的交叉學(xué)科:電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是二十一世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是一門(mén)使用電力半導(dǎo)體器件，應(yīng)用電路和控制理論知識(shí)分析開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)是電工技術(shù)的分支之一。應(yīng)用電力電子器件和以計(jì)算機(jī)為代表的控制技術(shù)，對(duì)電能特別是大的電功率進(jìn)行處理和變換，是電力電子技術(shù)的主要任務(wù)?？梢哉J(rèn)為，電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容包括以下三個(gè)基本內(nèi)容

13、: 元器件(電力電子器件，磁元件及電容器)。 電力電子變流技術(shù)，包括改變頻率、電壓、電流及變換相數(shù)。 電力電子電路的控制技術(shù)?，F(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件，綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠的電源中起關(guān)鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。當(dāng)前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái).電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合.電力電子器件的發(fā)展概況電力電子學(xué)誕生以后，人們常把相對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體學(xué)科分為兩個(gè)

14、分支:一個(gè)是以集成電路為核心的微電子學(xué);另一個(gè)則是以大功率半導(dǎo)體器件為代表的電力電子學(xué)。前者單元器件的功率越來(lái)越小;后者單元器件的功率越來(lái)越大電力電子器件，既是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。近年來(lái)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，要求集成電路功率化，功率器件集成化，這又把半導(dǎo)體學(xué)科的兩個(gè)分支有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，于是就出現(xiàn)了功率集成電路(poweric)簡(jiǎn)稱(chēng)pic，它使微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相輔相成，把“信息”與“功率”合為一體?？梢哉f(shuō)電力電子技術(shù)的每一次飛躍都是以新器件的出現(xiàn)為契機(jī)的。下面概略介紹國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的電力電子器件的發(fā)展動(dòng)向和目前水平。(1)雙極功率晶體管最近幾年來(lái)，雙極功率

15、晶體管的發(fā)展主要集中在高速開(kāi)關(guān)反相應(yīng)用器件方面。由于雙擴(kuò)散工藝的成熟，使器件的電壓、電流、功率等額定值達(dá)到很高水平并己經(jīng)出現(xiàn)了許多具有較快開(kāi)關(guān)速度和較低開(kāi)關(guān)損耗的新器件。隨著模塊化技術(shù)的進(jìn)步，巨型晶體管(gianttransistor)簡(jiǎn)稱(chēng)gtr，已經(jīng)向高耐壓、大容量方向發(fā)展。雙極功率晶體管應(yīng)用的主要局限性是隨著阻斷電壓的增加，器件增益降低。由于雙極功率晶體管是電流控制器件，增益減小導(dǎo)致了控制信號(hào)的增加，這就需要分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而增加了成本。另外由于受安全工作區(qū)的限制，雙極功率晶體管的應(yīng)用需要緩沖電路，這也會(huì)提高應(yīng)用中的系統(tǒng)成本?？傊壳半p極功率晶體管器件發(fā)展的主要目標(biāo)仍是高速晶體管、達(dá)林

16、頓晶體管、功率模塊以及混合集成器件的制造。(2)晶閘管與可關(guān)斷晶閘管(gto)自從1957年晶閘管問(wèn)世以來(lái)，其功率容量大約增加了3000倍。今后的發(fā)展方向仍是高壓、大電流。目前最高科研水平為1000a,12000v。光觸發(fā)晶閘管的穩(wěn)定生產(chǎn)水平已經(jīng)是4000a,8000v，而且具有過(guò)壓自保護(hù)功能它在直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償、大功率直流電源、超大功率和高壓變頻調(diào)速等方面仍有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。與晶閘管相比，gto具有快的關(guān)斷速度，高的關(guān)斷電流容量和大的關(guān)斷安全工作區(qū)。它代表了晶閘管的發(fā)展方向。(3)功率mosfet功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管集中了電子管、雙極功率晶體管和晶閘管等優(yōu)點(diǎn)，它具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小和極好

17、的安全工作區(qū)(soa)等特性，因此，在高性能的開(kāi)關(guān)電源、斬波器和電機(jī)控制的逆變電源中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的特點(diǎn)如下:mosfet是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，開(kāi)關(guān)速度極快，目前ic直接驅(qū)動(dòng)的功率mosfet的開(kāi)關(guān)頻率均高于l00khz。在imhz左右高頻工作下的dc/dc轉(zhuǎn)換器已經(jīng)問(wèn)世。 (4)絕緣柵雙極晶體管(igbt)igbt的主要特點(diǎn)是能集mosfet的電壓激勵(lì)和達(dá)林頓管的大電流低導(dǎo)通電阻特性于一體，還保存了高速、高可靠、低開(kāi)關(guān)損耗、低脈沖拖尾電流，對(duì)溫度不敏感等mosfet所擁有的一切優(yōu)點(diǎn)。用相同面積芯片制作的工gbt，其最大輸出電流可比同類(lèi)mosfet的輸出電流增

18、加兩倍以上。igbt有一個(gè)固有的特點(diǎn)，即其開(kāi)關(guān)輸出脈沖后沿有約1,us長(zhǎng)的拖尾電流。此電流會(huì)產(chǎn)生一定的開(kāi)關(guān)損耗。(5)靜電感應(yīng)晶體管(sit)與靜電感應(yīng)晶閘管(sith)靜電感應(yīng)晶體管(sit)與靜電感應(yīng)晶閘管(sitb)分別于70年代初期及中期在日本研制成功，現(xiàn)已應(yīng)用于許多領(lǐng)域。功率sit是具有非飽和輸出特性的多子器件，可實(shí)現(xiàn)極高速工作;由于它具有正溫度特性，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)sit并聯(lián)工作，容易實(shí)現(xiàn)大電流化。sith與普通晶閘管和gto相比，有低正向壓降、高開(kāi)關(guān)速度、高阻斷增益、高導(dǎo)通和高關(guān)斷電流增益，以及高di/dt和dvldt容量等優(yōu)良特性。與sit相比，導(dǎo)通電壓較低，但開(kāi)關(guān)速度也低于sit。

19、它在大容量應(yīng)用方面很有前途。總之，今后電力電子器件將沿著一下幾個(gè)方向發(fā)展:大容量化，即高壓、大電流;高頻化，即提高器件的開(kāi)關(guān)速度;易驅(qū)動(dòng)，主要向電壓驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展;低導(dǎo)通壓降，可降低導(dǎo)通損耗;模塊化，使主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，體積縮小:功直集成化，將驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)、控制等功能與器件集成，使裝置更為簡(jiǎn)化。1.1.2電力電子變換技術(shù)的發(fā)展從電能變換功能來(lái)看，電源設(shè)備中常用的變換電路有四種:ac/dc,dc/ac，dc/dc,ac/ac。每種又有單相，三相及其它各種電路類(lèi)型。下面僅就四種變換電路的發(fā)展方向進(jìn)行概述性的介紹:ac/dc變換將交流電變換成直流電稱(chēng)為ac/dc變換，這種變換的功率流向由電源傳向負(fù)載

20、，一般稱(chēng)為“整流”。通常單相半波可控整流電路因其性能較差，只應(yīng)用于小功率場(chǎng)合，在實(shí)際應(yīng)用中，廣泛使用的是單相全波可控整流電路。其電路形式有:單相橋式全控整流、單相橋式半控整流及單相雙半波整流電路。三相ac/dc變流器具有比單相變流器更加優(yōu)越的性能，諸如輸出電壓高、脈動(dòng)程度小、源側(cè)功率因數(shù)高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等。因此它不僅在中、大功率領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，而且還在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到應(yīng)用。常規(guī)的整流裝置，由于工作方式的影響，功率因數(shù)低，且諧波電流污染了電網(wǎng)，而導(dǎo)致用電設(shè)備之間的相互干擾。因此近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究功率因數(shù)校正器(pfc)成為熱點(diǎn)。正是由于單級(jí)pfc電路在滿(mǎn)足諧波標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)低成本

21、、高性能，尤其適用于小功率應(yīng)用，因此具有很大的市場(chǎng)前景。dc/ac變換將直流電變換成交流電稱(chēng)之為dc/ac變換，也就是通常所說(shuō)的“逆變”。中、高壓大功率逆變技術(shù)是當(dāng)前電力電子技術(shù)的一個(gè)最新發(fā)展動(dòng)向。它們主要應(yīng)用于大功率電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。這一方面是因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用的實(shí)際需要;另一方面是因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域有許多挑戰(zhàn)性的前沿研究課題:如高功率開(kāi)關(guān)容量(50mva)、高耐壓(9000v)、大電流(6000a)的新型大功率器件;新型多電平逆變器;大功率逆變器的串并聯(lián)及動(dòng)態(tài)投切;超大功率逆變器的emc、保護(hù)及控制:新型靈活交流輸電系統(tǒng)等。dc/dc變換將直流電能的任一參數(shù)(igm值和極性)加以轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)

22、這一轉(zhuǎn)換的裝置稱(chēng)為直流變換器或斬波器。以直流變換器為核心的開(kāi)關(guān)電源隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來(lái)越廣，目前己成為一個(gè)重要的新興產(chǎn)業(yè)。1985年有人提出了移相控制pwm變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。目前，dc/dc電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)仍是電力電子技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。ac/ac變換ac/ac變換亦稱(chēng)交流調(diào)壓與周波變換，把恒定交流變換為可變交流稱(chēng)為交流調(diào)壓，把固定頻率的交流變?yōu)轭l率可變的交流稱(chēng)為變頻。變頻電路按照變換次數(shù)又可分為間接變頻和直接變頻兩種結(jié)構(gòu)。前者指包括整流和逆變兩次變換，即將工頻電網(wǎng)的交流電能經(jīng)整流器變換為直流電能，再由逆變器變換為另一頻率的交流電能。這

23、種電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，技術(shù)也較為成熟，生產(chǎn)上已得到廣泛應(yīng)用。直接變頻電路較間接變頻電路在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但只有一次轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)效率較高，對(duì)大容量裝置有價(jià)值。電力電子控制技術(shù)的發(fā)展電力電子控制策略的發(fā)展體現(xiàn)在各種控制理論和控制思想的嘗試和應(yīng)用。目前，在pfc整流，波形控制方面都出現(xiàn)了許多令人滿(mǎn)意的控制技術(shù)。比例積分pi控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣的控制器，它概念清晰，容易實(shí)現(xiàn)，且魯棒性強(qiáng)。比例p調(diào)節(jié)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，積分i調(diào)節(jié)消除靜態(tài)誤差、增加穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)又增加了控制的相位滯后。pi控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦指令的無(wú)靜差跟蹤，因此系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不容易滿(mǎn)足要求。重復(fù)控制是一種基于周期的控制方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于質(zhì)子同步

24、加速器等高精度高穩(wěn)定度磁鐵電源系統(tǒng)。重復(fù)控制的基本思想來(lái)源于控制理論中的內(nèi)模原理，在重復(fù)信號(hào)發(fā)生器內(nèi)模的作用下，控制器進(jìn)行逐周期點(diǎn)對(duì)應(yīng)式的積分控制，通過(guò)對(duì)波形誤差的逐點(diǎn)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差的控制效果。二瞬時(shí)內(nèi)環(huán)反饋控制是通過(guò)負(fù)反饋使反饋量接近給定，并抑制反饋環(huán)所包圍的環(huán)節(jié)的參數(shù)變動(dòng)或擾動(dòng)所引起的偏差。因此在逆變器控制中，若給定為正弦，瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)控制能使輸出電壓波形盡量接近正弦，從而減小輸出電壓畸變率。電壓電流的雙環(huán)控制可以避免單環(huán)控制在抵抗負(fù)載擾動(dòng)方面的缺點(diǎn)，同時(shí)具備優(yōu)異的動(dòng)、靜態(tài)特性，是一種高性能的波形控制方法。但是它也有自身的不足，就是電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)要求具備足夠?qū)挼膸挘@就使得對(duì)數(shù)字控

25、制器提出了很高的要求?，F(xiàn)在，電力電子器件、電力電子新電路以及新控制策略的發(fā)展都是相輔相成、相互促進(jìn)的。新器件的產(chǎn)生使得新的電路和控制能夠?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)一種新的電路和應(yīng)用又反過(guò)來(lái)促進(jìn)器件的發(fā)展。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)間進(jìn)入21世紀(jì)，如何解決能源、資源和環(huán)境問(wèn)題，成為困擾我們?nèi)祟?lèi)生存的重大問(wèn)題，以功率變換為目的、以實(shí)現(xiàn)高效獲得高品質(zhì)電能為根本任務(wù)的電力電子反唇技術(shù)，同微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合將成功地解決這些危機(jī)。功率變換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為:高頻化、高效率、無(wú)污染、模塊化.21世紀(jì)電力電子技術(shù)研究領(lǐng)域可從電力半導(dǎo)體器件、電力電子成套裝置及控制理論三大方面來(lái)探討，而電力電子成套裝置又隨行業(yè)的

26、不同可分為很多方面。1.3直流變換器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)自電力電子開(kāi)關(guān)變換器出現(xiàn)以后，pwm技術(shù)以效率高、動(dòng)態(tài)性能好、線(xiàn)性度高等優(yōu)點(diǎn)在各種電力變換器中得到廣泛的應(yīng)用，而且己經(jīng)被認(rèn)為是電力變換器領(lǐng)域中一項(xiàng)成熟、理想和重要的基本控制技術(shù)，在今后仍然具有較大的發(fā)展?jié)摿?。直流變換器一般采用pwm控制方式，開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。傳統(tǒng)的pwm硬開(kāi)關(guān)技術(shù)有下述缺陷:(1)開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)由于開(kāi)關(guān)管的電壓和電流的交疊區(qū)產(chǎn)生的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加;(2)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)電路中的雜散電感產(chǎn)生很大的di/dt，過(guò)高的電壓尖峰加在開(kāi)關(guān)器件的兩端容易造成開(kāi)關(guān)器件電壓擊穿:(3)當(dāng)開(kāi)關(guān)器件在高壓下開(kāi)通時(shí)，

27、開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容通過(guò)開(kāi)關(guān)器件放電，產(chǎn)生很大的沖擊電流，不僅增加器件的損耗，而且還可能導(dǎo)致器件的過(guò)熱損壞;(4)開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高頻噪聲造成傳導(dǎo)和輻射干擾。因此硬開(kāi)關(guān)直流變換器的開(kāi)關(guān)頻率不可能太高。然而電力變換器的體積和重量與開(kāi)關(guān)頻率有著直接的關(guān)系。提高開(kāi)關(guān)頻率可以使變換器中變壓器、電感等磁性元件以及電容的體積和重量都大為減小，從而提高變換器的功率密度。此外，提高開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于降低開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲和改善動(dòng)態(tài)性能都大有好處。在直流電力變換器中，提高開(kāi)關(guān)頻率的基本思路是發(fā)展新型的主電路拓?fù)浼斑\(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)“軟開(kāi)關(guān)”來(lái)改善器件的開(kāi)關(guān)軌跡，提高開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。一般是通過(guò)有序、受控的諧振造成

28、開(kāi)關(guān)管的零電壓或零電流開(kāi)關(guān)環(huán)境，并讓變換器中全部或部分開(kāi)關(guān)管只在這種環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷，即“軟開(kāi)關(guān)”技術(shù)。直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)一般可分為以下幾類(lèi):(1)全諧振型變換器，一般稱(chēng)之為諧振變換器。 (2)準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器。(3)零開(kāi)關(guān)pwm變換器。 (4)零轉(zhuǎn)換pwm變換器。本文主要內(nèi)容高能物理研究中的粒子(質(zhì)子、電子、重離子等)加速器、核磁共振裝置、超導(dǎo)電工技術(shù)研究以及計(jì)量測(cè)試等精密應(yīng)用都對(duì)電源的性能和規(guī)格提出了新的要求。高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)迫切需要高精度高穩(wěn)定度的電源.主要內(nèi)容如下:第一部分 介紹了高穩(wěn)定度電源基礎(chǔ)理論。并從數(shù)學(xué)的角度，給出了高穩(wěn)定度電流源的主要性能指標(biāo)的定義

29、第二部分 簡(jiǎn)述了直流穩(wěn)流電源的控制結(jié)構(gòu)第三部分 設(shè)計(jì)出方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。第四部分 對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出穩(wěn)定電源中影響穩(wěn)定度的主要因素及解決手段2高穩(wěn)定度穩(wěn)流電源基礎(chǔ)理論2.1穩(wěn)流電源主要性能指標(biāo)穩(wěn)流電源的主要性能指標(biāo)是電流穩(wěn)定度，它表明電源在輸入交流電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度變化時(shí)，以及在開(kāi)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，使電源輸出電流維持給定值的能力。一般情況下，穩(wěn)流電源在輸入電壓uin、負(fù)載電阻rl、環(huán)境溫度t改變時(shí)，輸出電流都會(huì)改變。另外，開(kāi)機(jī)后電源本身的有關(guān)參數(shù)也會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間t改變和漂移，引起電流的漂移，電源輸出穩(wěn)定電流i。可用下式來(lái)表示 (2.1)由于穩(wěn)流電源輸出電流is是個(gè)多變量的函數(shù)，

30、對(duì)其變化量l.，計(jì)算時(shí)必須分別對(duì)各個(gè)變量單獨(dú)變化時(shí)所引起的變化量進(jìn)行計(jì)算，然后再綜合，而當(dāng)計(jì)算某一變量時(shí)，不考慮其他變量的影響。這樣所得到的電流輸出量對(duì)該變量導(dǎo)數(shù)即是偏導(dǎo)數(shù)，這些偏導(dǎo)數(shù)與相應(yīng)變量的增量之積就是該變量所引起的電流輸出量變化，如下式所示: (2.2)為了表示穩(wěn)流電源在上述固素變動(dòng)影響下的穩(wěn)定性，通常采用以下指標(biāo):i.電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度si:表示在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，輸出電流的變化與當(dāng)時(shí)輸出電流相之比，即 (2.3)其中包含了輸入電壓、負(fù)載、溫度及環(huán)境的影響，規(guī)定時(shí)間一般取8小時(shí)、24小時(shí)不等，在實(shí)踐中多用該指標(biāo)來(lái)衡量電源的穩(wěn)定性。2.穩(wěn)流系數(shù)si:表示在負(fù)載電阻和環(huán)境溫度不變的情況下，輸出電流

31、的相對(duì)變化量與輸入電壓相對(duì)變化量之比，即 其中uin/uin常以10%作為基本單位。3.動(dòng)態(tài)內(nèi)阻ro:表示在輸入電壓和環(huán)境溫度不變的情況下，輸出電壓的相對(duì)變化量與輸出電流相對(duì)變化量之比，即: 理想穩(wěn)流源的內(nèi)阻為無(wú)限大。4.溫度系數(shù)kit;表示在輸入電壓和負(fù)載不變時(shí)，電源輸出電流的變化量與環(huán)境溫度的變化量之比。kit=以上三個(gè)指標(biāo)主要用來(lái)衡量穩(wěn)流電源的穩(wěn)定性。5.電流紋波ri;:電流紋波大小通常用輸出電流中交流分量的峰峰值或有效值與當(dāng)時(shí)直流分量的比來(lái)表示。ri=(27).直流高穩(wěn)定度電源的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和可靠性方向發(fā)展，對(duì)設(shè)備的能源部件一電源也相應(yīng)地提出了更高的要求

32、。在穩(wěn)定電源里面，鑒于理論和工藝等多方面的差異，通常按穩(wěn)定度劃分為普通穩(wěn)定電源和高穩(wěn)定度電源。普通穩(wěn)定電源是許多電子設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室必須具備的部件或設(shè)備，其穩(wěn)定度大約在1%0.1%范圍。高穩(wěn)定度電源也是一種具有穩(wěn)定控制的二次電源，它和普通穩(wěn)定電源的區(qū)別在于其輸出電壓(或電流)高度穩(wěn)定，至少優(yōu)于100ppm(萬(wàn)分之一或1x10-4)，在目前的高穩(wěn)定度電源中，輸出穩(wěn)定度最高達(dá)0.001ppm(十億分之一)。高穩(wěn)定度電源體系發(fā)展到今天的規(guī)模，時(shí)間并不長(zhǎng)。直到二十世紀(jì)六十年代，世界各國(guó)在要求高質(zhì)量供電的技術(shù)中，還普遍采用蓄電池供電方式。蓄電池最突出的優(yōu)點(diǎn)是純直流特性以及無(wú)電網(wǎng)干擾，但蓄電池的使用、運(yùn)輸、維

33、護(hù)都不方便，又不經(jīng)濟(jì)，而且有腐蝕性的液體或氣體揮發(fā)物損害工作人員的健康和精密的儀器儀表。更主要的在于其容量有限，傳輸損耗大，放電曲線(xiàn)不理想，大電流使用不穩(wěn)定。此外，某些運(yùn)動(dòng)的負(fù)載對(duì)象，裝載蓄電池顯然不太方便，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，蓄電池這種傳統(tǒng)的供電方式在許多方面已越來(lái)越不適應(yīng)了。二十世紀(jì)六十年代以后，有了新的發(fā)展。首先是空間技術(shù)、控制技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的實(shí)際需要，隨著優(yōu)質(zhì)振子的自穩(wěn)零放大器、光電放大器、電流比較儀等臻于完善，直至約瑟夫森效應(yīng)在技術(shù)上的成熟應(yīng)用，加上材料和工藝的進(jìn)一步提高，把高穩(wěn)定度電源技術(shù)推上了新水平。短短的十幾年間，高穩(wěn)定度電源在許多方面不僅僅能夠取代蓄電池，而且在容量和性能上遠(yuǎn)

34、比蓄電池優(yōu)越，功能更完善，逐步形成高穩(wěn)定度電源這一現(xiàn)代電源技術(shù)分支。直流穩(wěn)流電源的分類(lèi)按照控制方式不同，高穩(wěn)定度直流穩(wěn)流電源還可分為以下幾種:線(xiàn)性電源、相控電源和開(kāi)關(guān)電源。線(xiàn)性電源利用大功率晶體管的放大特性來(lái)進(jìn)行工作，它又分為串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)流和并聯(lián)調(diào)整穩(wěn)流兩種方式。線(xiàn)性電源的穩(wěn)流特性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，噪聲小，但是在大電流工作時(shí)，需要串聯(lián)和并聯(lián)較多數(shù)量的大功率晶體管，特別是作為低壓大電流電源時(shí)，因?yàn)橛姓{(diào)壓器預(yù)調(diào)壓，因此效率更低，響應(yīng)很慢。晶閘管相控電源是利用晶閘管的相控特性來(lái)穩(wěn)流的。晶閘管相控電源輸出紋波較大，對(duì)電網(wǎng)干擾比較嚴(yán)重，一般采用多相串聯(lián)或并聯(lián)整流工作以減小紋波，由于晶閘管是半控元件，有一定的

35、失控時(shí)間，因此電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較線(xiàn)性電源慢。但是相控電源輸出功率大，相關(guān)技術(shù)已相當(dāng)成熟，可靠性好、效率高，性?xún)r(jià)比高。開(kāi)關(guān)電源可分為斬波器方式和變換器方式兩種。開(kāi)關(guān)電源利用開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特勝，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管占空比進(jìn)行工作，工作頻率達(dá)幾十至幾百千周，省掉了體積龐大的工頻變壓器和電抗器，因而電源效率高、體積小，但輸出功率較小，且存在電磁兼容問(wèn)題。但是近十年來(lái)，隨著新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的出現(xiàn)，和各種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出，有效克服了開(kāi)關(guān)電源的固有缺點(diǎn)，提高了開(kāi)關(guān)電源單機(jī)輸出功率，開(kāi)關(guān)電源迅速普及開(kāi)來(lái)，得到廣泛應(yīng)用。目前在中小功率電源方面，幾乎完全取代了線(xiàn)性電源和相控電源。同時(shí)采用變換器并聯(lián)和開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，開(kāi)關(guān)電

36、源的輸出功率大幅度提高，在中、大功率領(lǐng)域也逐步占有一席之地。2.2直流穩(wěn)流電源控制結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定度直流穩(wěn)流電源是一種以半導(dǎo)體元件為功率變換和控制器件的、以穩(wěn)定輸出電流為目的的大功率電力電子設(shè)備。在磁鐵電源中，其輸出功率從幾百瓦到幾百千瓦，輸出電流從幾安培到幾千安培不等。高穩(wěn)定度直流穩(wěn)流電源是由基準(zhǔn)、電流采樣裝置、功率變換器、調(diào)節(jié)器、濾波器、負(fù)載等幾部分組成的，采用負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)原理的系統(tǒng)，原理框圖如下圖所示基準(zhǔn)提供參考電壓，決定著穩(wěn)流電源的輸出值;電流采樣裝置對(duì)電源實(shí)際輸出電流采樣，提供反饋信號(hào);調(diào)節(jié)器對(duì)基準(zhǔn)電壓與反饋電壓的差進(jìn)行放大;調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為控制信號(hào)去控制穩(wěn)流執(zhí)行環(huán)節(jié)一功率變換器的動(dòng)

37、作:濾波器對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波，然后將符合要求的電流供給負(fù)載。對(duì)線(xiàn)性電源來(lái)說(shuō)，執(zhí)行環(huán)節(jié)是大功率調(diào)整管;對(duì)可控硅相控電源來(lái)說(shuō)是可控硅整流器;對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)則是開(kāi)關(guān)變換器。(i)基準(zhǔn)uref:又稱(chēng)給定環(huán)節(jié)，用來(lái)提供基準(zhǔn)信號(hào)，一般為電壓信號(hào)，但代表給定電流?；鶞?zhǔn)首先要好，意即基準(zhǔn)的穩(wěn)定度要非常好，因?yàn)殡娫吹妮敵鲭S基準(zhǔn)幾近相同比例變化。一般說(shuō)來(lái)基準(zhǔn)的穩(wěn)定度要高于整機(jī)輸出量穩(wěn)定度半個(gè)量級(jí)以上?；鶞?zhǔn)是高穩(wěn)定度電源的基礎(chǔ)，不論是模擬基準(zhǔn)還是數(shù)字基準(zhǔn)，除應(yīng)根據(jù)要求選擇基準(zhǔn)外，對(duì)其外圍元件和工作狀態(tài)也必須精心選擇，確保所選基準(zhǔn)工作在最佳狀態(tài)。(2)采樣反饋環(huán)節(jié):用以測(cè)量電源輸出電流，并將其轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號(hào)uf，

38、以便和基準(zhǔn)進(jìn)行比較。反饋電壓信號(hào)是否能準(zhǔn)確反映輸出電流的變化同樣決定電源的穩(wěn)流精度。對(duì)電流檢測(cè)轉(zhuǎn)換元件的要求是高帶寬，以便對(duì)電流的變化能夠快速反應(yīng);高精度，能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)被測(cè)電流的細(xì)微變化:長(zhǎng)期穩(wěn)定性，包括對(duì)溫度、時(shí)間的穩(wěn)定性，減小電流檢測(cè)元件對(duì)輸出電流的影響:抗干擾能力強(qiáng)。(3)誤差放大校正環(huán)節(jié)，又稱(chēng)為調(diào)節(jié)器;放大校正環(huán)節(jié)是帶有校正環(huán)節(jié)的放大器，將反饋信號(hào)uf與基準(zhǔn)信號(hào)uref進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)u。一方面放大誤差信號(hào)au，得到控制信號(hào)uk，另一方面改善電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。穩(wěn)流電源中用的較多的有比例-積分(pi)調(diào)節(jié)器，比例-積分-微分(pid)調(diào)節(jié)器等，調(diào)節(jié)器的性能與電源特性密切相關(guān)。(4)

39、執(zhí)行環(huán)節(jié):對(duì)線(xiàn)性電源來(lái)說(shuō)，控制信號(hào)uk送入調(diào)整管的基極，控制調(diào)整管的集電極電壓:對(duì)相控電源來(lái)說(shuō)，duk送入晶閘管的觸發(fā)電路，控制晶閘管的導(dǎo)通角;對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，duk送入脈寬調(diào)制器，控制開(kāi)關(guān)管占空比。(5)其他環(huán)節(jié):主要指電源的濾波器和負(fù)載，還包括各種繼電保護(hù)電路及狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路等。2.3直流穩(wěn)流電源的穩(wěn)態(tài)誤差直流穩(wěn)流電源的穩(wěn)態(tài)誤差可分為兩類(lèi):第一類(lèi)為靜態(tài)誤差(簡(jiǎn)稱(chēng)靜差)，與電源系統(tǒng)的類(lèi)型及輸入信號(hào)有關(guān)，包括給定靜差和擾動(dòng)靜差，靜差可以通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來(lái)克服;第二種為系統(tǒng)誤差，主要由電流采樣單元、調(diào)節(jié)器、基準(zhǔn)的溫漂、時(shí)漂引起的，是電源系統(tǒng)無(wú)法克服的誤差。穩(wěn)流電源控制結(jié)構(gòu)可用傳遞函數(shù)表示如下:給定靜

40、差傳遞函數(shù)gc(s)為調(diào)節(jié)器，一般采用運(yùn)算放大器電路gcn(s)為功率變換器gld(s)一般為磁鐵線(xiàn)圈，是一個(gè)慣性環(huán)節(jié);hd(s)為電流采樣環(huán)節(jié)，實(shí)際上可以看作一個(gè)比例因子。uref是基準(zhǔn)給定u3(s)為調(diào)節(jié)器誤差us(s)為功率變換器誤差u2(s)為電網(wǎng)擾動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等綜合影響穩(wěn)定度而調(diào)節(jié)器又無(wú)法克服的誤差主要有三項(xiàng):(1)基準(zhǔn)源偏差duref:基準(zhǔn)源不穩(wěn)定，發(fā)生變化時(shí)，將直接影響電源的穩(wěn)定度。(2)采樣偏差dhd:當(dāng)電流采樣裝置反饋系數(shù)變化時(shí)，檢測(cè)出的反饋信號(hào)不能真實(shí)反映電流而使電源的電流出現(xiàn)誤差，從而影響電源的穩(wěn)定度。(3)調(diào)節(jié)器引入的偏差du3:在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，一般使用集成運(yùn)算放大器

41、來(lái)作為調(diào)節(jié)器，并且將集成運(yùn)算放大器進(jìn)行理想化處理，而實(shí)際工作中，實(shí)際的元件性能與理想運(yùn)算放大器是有差別的，并不滿(mǎn)足上述理想化條件，因此對(duì)實(shí)際集成運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)存在計(jì)算誤差.2.4減少系統(tǒng)誤差的措施及其實(shí)現(xiàn)方法前一節(jié)已經(jīng)分析了直流穩(wěn)流電源的穩(wěn)態(tài)誤差的主要來(lái)源，并給出了提高穩(wěn)定度的主要方法。本節(jié)主要介紹如何實(shí)現(xiàn)這些方法，以減少那些影響穩(wěn)定度而調(diào)節(jié)器又無(wú)法克服的誤差。2.4.1基準(zhǔn)電壓源當(dāng)基準(zhǔn)電壓uref由于某種原因不穩(wěn)定而量值變化時(shí)，將使輸出電壓或輸出電流以同樣的相對(duì)值變化。因此基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度將是穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源穩(wěn)定度的極限值，再加上其他因素對(duì)穩(wěn)定電源穩(wěn)定度的影響，一般電源的穩(wěn)定度要比基準(zhǔn)電壓

42、的穩(wěn)定度要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，若要獲得電源較高的穩(wěn)定度，必須使基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度高于所要求的電源穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí).基準(zhǔn)電壓的不穩(wěn)定，主要是由于基準(zhǔn)電壓源的溫漂、噪聲、包括向基準(zhǔn)電壓源供電的輔助電源的電壓波動(dòng)及紋波等影響所造成的。因此對(duì)于基準(zhǔn)源主要的要求就是溫漂低、噪聲小?；鶞?zhǔn)一般有標(biāo)準(zhǔn)電池、穩(wěn)壓二級(jí)管等。標(biāo)準(zhǔn)電池穩(wěn)定度非常好且無(wú)噪聲，但電壓比較低，只有1v左右，輸出功率較小，調(diào)節(jié)不方便，存在使用壽命問(wèn)題;穩(wěn)壓二級(jí)管等由半導(dǎo)體元件組成，由于硅管和鍺管相比穩(wěn)定性較好，所以穩(wěn)壓管幾乎都用硅管。它的基準(zhǔn)電壓高，調(diào)節(jié)方便，使用壽命長(zhǎng)，得到了廣泛的應(yīng)用，但半導(dǎo)體元件易受干擾、有噪聲、受溫度影響比較大。隨著集

43、成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，模擬集成電路制造商推出了許多種類(lèi)的高精度集成基準(zhǔn)電源。為了實(shí)現(xiàn)高精度，通常都利用硅半導(dǎo)體材料本身固有的特征電壓作為基準(zhǔn)電壓(比如齊納二極管反向擊穿電壓或者基射結(jié)電壓vgg)。但由于硅半導(dǎo)體對(duì)溫度敏感(具有一定的溫度系數(shù))，所以為了解決溫度漂移問(wèn)題，通常選擇一種與基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)極性相反但絕對(duì)值相近的器件或電路(例如vgg)，使兩者結(jié)合起來(lái)，相互溫度補(bǔ)償，使總體溫度系數(shù)趨近于零。數(shù)字基準(zhǔn)是近幾年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的，它利用程序來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，然后將調(diào)節(jié)好的數(shù)字信號(hào)通過(guò)d/ac變成模擬電壓信號(hào)供電源使用.數(shù)字基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是精度高而且調(diào)節(jié)非常方便，且可以得到任意波形的基準(zhǔn)信號(hào)。

44、數(shù)字基準(zhǔn)的主要問(wèn)題是存在量化誤差，即受位數(shù)限制，不可能得到完全光滑的模擬信號(hào)，另外，數(shù)/模轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在轉(zhuǎn)換時(shí)間的問(wèn)題。隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，高分辨率、高穩(wěn)定性、高速ac/dc和dc/ac的芯片不斷涌現(xiàn)，數(shù)字基準(zhǔn)的性能越來(lái)越優(yōu)越，其優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯?；鶞?zhǔn)是高穩(wěn)定度電源的基礎(chǔ)，不論是模擬基準(zhǔn)還是數(shù)字基準(zhǔn)，除應(yīng)根據(jù)要求選擇基準(zhǔn)外，對(duì)其外圍元件和工作狀態(tài)也必須精心選擇，確保所選基準(zhǔn)工作在最佳狀態(tài)。2.4.2采樣環(huán)節(jié)跟基準(zhǔn)電壓源一樣，采樣環(huán)節(jié)也會(huì)直接影響電源的穩(wěn)定度。所以，在選用電流采樣裝置時(shí)，要用漂移小、穩(wěn)定性好的電流傳感器。這對(duì)于高穩(wěn)定度電源來(lái)說(shuō)尤為重要高精度電流檢測(cè)元件一般有分流器和直流電

45、流傳感器兩種。分流器實(shí)際上是一個(gè)毫歐級(jí)的電阻，由錳銅合金等受溫度影響非常小的材料制成，電阻溫度系數(shù)可達(dá)到lppm/0c。為減小采樣環(huán)節(jié)對(duì)穩(wěn)定度的影響，可加大采樣電阻的值，以提高電流的采樣信號(hào)電壓，提高信噪比，相應(yīng)地也要提高基準(zhǔn)電壓;這樣采樣電阻上所消耗的功率也大，大功率應(yīng)用時(shí)需要冷卻，常用的冷卻方式為油浸水冷;也可以對(duì)采樣電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在cebaf的電子回旋加速器中采用的電流采樣裝置就是利用分流器，溫度系數(shù)可達(dá)15ppm/0c1311。分流器的主要缺點(diǎn)是體積較大，功率損耗大。直流電流傳感器(dcct)克服了分流器的不足，采取非接觸式測(cè)量電流，體積小、輸出電壓高、功耗小。根據(jù)工作原理可分為兩

46、種，一種采用霍爾效應(yīng)原理，這種傳感器由于利用霍爾效應(yīng)，因此受溫度影響比較大，精度在1%左右，但價(jià)格便宜，在加速器電源中主要用在穩(wěn)定度不高的電源中，或作為電流保護(hù)檢測(cè)元件。另外一種采用零磁通原理，這種電流傳感器對(duì)溫度、對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性非常好，分別為lppm/0c,0.lppm/month，帶寬在100khz，廣泛應(yīng)用在高穩(wěn)定度電源中。2.4.2運(yùn)算放大器選擇在穩(wěn)定電源中，運(yùn)算放大器常被用作比較放大器或誤差放大器，處于穩(wěn)定電源的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最前級(jí)，因此，運(yùn)算放大器除了本身增益高外，它對(duì)處于調(diào)節(jié)系統(tǒng)末端的功率變換電路的影響，還必須乘上運(yùn)算放大器后各級(jí)所有的放大倍數(shù)。在運(yùn)算放大器的輸入端，任何微弱的干擾信

47、號(hào)，均有可能得到放大，從而對(duì)電源產(chǎn)生影響。因此，運(yùn)算放大器的好壞，對(duì)穩(wěn)定電源能否具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能關(guān)系重大。傳統(tǒng)的高精度高穩(wěn)定度電流源大多是線(xiàn)性電源，體積小效率低。高頻pwm電源具有高效節(jié)能、體積小重量輕、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，是電力電子的發(fā)展方向。本節(jié)將詳細(xì)介紹主電路工作原理和主要元器件的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)主電路進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法和所選參數(shù)的正確性。數(shù)字控制方案的優(yōu)勢(shì)和不足隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)字控制理論的成熟和發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)日益明顯。近年來(lái)，數(shù)字控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，采用以微機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制替代模擬控制已成為現(xiàn)代電力電子電路控制的重要發(fā)展趨勢(shì)。相

48、對(duì)模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字控制系統(tǒng)一般具有下列優(yōu)勢(shì)(1)系統(tǒng)緊湊，通用性強(qiáng)，可一機(jī)多用，性能價(jià)格比高。(2)控制規(guī)律靈活，且可在線(xiàn)修改控制算法或參數(shù)。(3)可以實(shí)現(xiàn)許多先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法，可從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。(4)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得較高的穩(wěn)定性和控制精度。一般來(lái)說(shuō)，元器件的精度很難達(dá)到10-5，而數(shù)字調(diào)節(jié)器的運(yùn)算精度則很容易達(dá)到這個(gè)數(shù)量級(jí)。(5)便于實(shí)現(xiàn)控制、管理與通信的結(jié)合，可提高分布式系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性。然而高精度高穩(wěn)定度電流源要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化仍有相當(dāng)?shù)碾y度，需要有大的突破。采用更高速的dsp，可以適當(dāng)提高變換器的開(kāi)關(guān)頻率，但若仍采用現(xiàn)有的控制方式，要滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)頻率100khz以

49、上或是控制更為復(fù)雜的高頻開(kāi)關(guān)功率變換器的要求，仍將是十分團(tuán)難的。高精度高穩(wěn)定度電流源實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的主要難點(diǎn)至少包括:(1)變換器開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)采樣的嚴(yán)重干擾。(2)檢測(cè)的量化誤差導(dǎo)致控制精度顯著下降。(3)高速運(yùn)行下數(shù)字化脈寬調(diào)制(pwm)時(shí)間分辨率的急劇下降。(4)開(kāi)關(guān)功率變換器數(shù)字化控制的數(shù)學(xué)模型了解不深入。數(shù)控恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖一：直流穩(wěn)壓電源的基本原理圖設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便、電壓穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，其輸出電壓大小采用數(shù)字顯示原理方框組成見(jiàn)圖l，共由7部分組成，輸出電壓的大小調(diào)節(jié)通過(guò)“+”“一”兩鍵操作，控制可逆計(jì)數(shù)器分別作加、減計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)字輸出分兩路運(yùn)

50、行：一路用于驅(qū)動(dòng)數(shù)顯電路，指示電源輸出電壓的大小值；另一路進(jìn)入d，a轉(zhuǎn)換電路，da轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量按比例轉(zhuǎn)換成模擬電壓然后經(jīng)過(guò)射極跟隨器控制調(diào)整輸出級(jí)輸出所需的穩(wěn)定電壓。圖l中ad變換器所采集的是輸出電壓、電流的值，這些數(shù)據(jù)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)與輸出顯示。但是在本設(shè)計(jì)方案中沒(méi)有去實(shí)現(xiàn)該功能，而是通過(guò)萬(wàn)用表和交流毫伏表在外設(shè)處直接測(cè)量，這樣既實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能又為電路負(fù)載處測(cè)量提供了方便，而且電路間干擾相應(yīng)減少。圖l 系統(tǒng)框圖電流源恒定電流的產(chǎn)生是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最主要功能，實(shí)現(xiàn)難度也不大，可用非常簡(jiǎn)單的幾個(gè)模擬器件完成，但其高精度、穩(wěn)定度及紋波的控制卻是完成整個(gè)功能的重點(diǎn)。由于對(duì)電流穩(wěn)定度要求太高，很小

51、的干擾就會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，所以必然會(huì)加大調(diào)試工作量進(jìn)而找到最佳狀態(tài)。數(shù)字控制部分利用高精度的ad和da來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字部分和模擬部分的接口?？捎胐a轉(zhuǎn)換電路來(lái)控制步進(jìn)大小。但是由于本設(shè)計(jì)要求高達(dá)2a的電流輸出，用于ad采樣的標(biāo)準(zhǔn)電阻會(huì)有明顯的溫度變化，而引起阻值變化，造成電流誤差。為了達(dá)到2a的輸出電流，lm350必須選用金屬外殼封裝，并且?guī)源竺娣e的散熱片。單片機(jī)控制da芯片產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，并與電流源反饋回路中的采樣電阻上產(chǎn)生的電壓進(jìn)行比較，因?yàn)椴蓸与娮枋菢?biāo)準(zhǔn)的高精度電阻(康銅絲繞制)，所以其上的電壓只跟回路中電流有關(guān)系，達(dá)到輸出恒定電流的目的，通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行開(kāi)環(huán)放大后控制三極管的基極，產(chǎn)生恒定的電流輸出。顯示部分采用高精度aid芯片采