隔離型DC/DC在高壓電壓電流源設計中的應用

黃 弋， 周 菁

（金元證券股份有限公司，北京 100875）

0 引言

DC/DC模塊電源在通信系統中也稱二次電源，它是由一次電源或直流電池組提供一個直流輸入電壓，經DC/DC變換以后在輸出端可以獲得一個或幾個直流電壓。DC/DC模塊電源廣泛用于微波通訊、航空電子、地面雷達、消防設備、醫療器械等諸多領域。

本文主要介紹DC/DC模塊電源的隔離特性以及在高壓電路中的應用。

1 DC/DC模塊電源的隔離特性

在電路設計中，為了提高通信設備或裝置在信號傳輸中的抗干擾能力、可靠性及滿足一些儀表、儀器在復雜環境中的測量精度，往往在其部分電路或器件上采用了輸出穩壓的隔離型電源模塊供電。

如在圖1所示的A/D轉換電路中，運算放大器和A/D轉換芯片采用的是DC/DC模塊電源進行供電，進而有效的抑制電磁干擾和消除接地環路的影響，提高了A/D轉換電路的可靠性。

圖1 A/D轉換器電路

DC/DC的隔離特性除上述應用外，在ATE的高壓電壓電流源設計中可加以利用，有效的降低設計難度及成本。

2 電壓電流源設計

2.1 程控電壓電流源設計

在常規ATE的電壓電流源設計中，經常選用如圖2所示的設計原理。

圖2 設計原理框圖

如圖2所示，施加DA可根據輸出信號要求提供對應的電壓信號，箝位DA可設置保護范圍，VIF、VIS為電壓電流源的開爾文輸出端。通過控制聯動開關K1、K2，可實現程控輸出電壓、電流的功能。當K1、K2觸電處于“A”時，本電路實現恒壓源功能，同時可在“測量AD”端讀取輸出電流值；當K1、K2觸電處于“B”時，本電路實現恒流源功能，同時可在“測量AD”端讀取輸出電壓值。

2.2 高壓電壓電流源設計實現

在高壓電壓電流元設計中，通常選用大量高壓運算放大器來實現。如圖3所示高壓電壓電流源實現中，U1～U4 選用高壓運算放大器OPA544，所有通過調整OPA544的電源電壓值，可使程控電壓電流元輸出至±30 V。

2.3 DC/DC模塊電源在高壓電壓電流源設計中的應用

在圖3所示高壓電壓電流源實現的應用中，高壓運放的引入雖然提高了電路的電壓范圍，但成本大幅提高，且高壓電源的多處引用勢必增加線路板的干擾源及整板 布局、布線的技術風險。

圖3 高壓電壓電流源實現

本文引入隔離型DC/DC，利用DC/DC的隔離特性，可很好的解決高壓電路的上述問題。

如圖4所示5D15的應用，在圖3中引入DC/DC器件5D15，該器件輸入5 V電壓，可輸出相對于輸出地為±的電源。將圖3中的“BFOUAT”作為5D15的輸出端參考地，則5D15的輸出端分別輸出“BFOUAT+15”、“BFOUAT-15”電壓。

圖4 5D15的應用

將圖4中的輸出端作為運算放大器的供電電源連接至圖3中的U2～U4，可實現將U2～U4用常規運放代替的效果，且不再需要高壓電源的大量應用。隨著高壓電壓電流源輸出電壓值的變化，U2～U4的電源電壓隨之變化，但差值恒定為30 V，可保證運放及整個電路正常工作。

2.4 測試數據

按照圖4所示將雙輸出DC/DC器件5D15加入至圖3中,對電壓電流源的輸出進行實際測試，電路輸出的穩定性、精度及建立時間良好。

圖5、圖6為加入5D15后電路的實際輸出波形。

對本文所述電路進行電壓精度測試，實際輸出值與精度如表1所示，實測數據精度良好，絕大部分數值誤差在0.5%以內。

圖5 Vo=10 V輸出波形

圖6 Vo=80 V輸出波形

表1 實測數據

對加入DC/DC后的電壓電流源電路進行加電流測試，對標稱0.2Ω電阻施加5A電流、重復1000次測試電阻兩端電壓，測試結果中最大值為1.10781 V，最小值為1.1094 V，平均值為1.108612 V。數據正態分布見圖7。

圖7 測試數據分布圖

3 結論

本電路充分利用了隔離型DC/DC的隔離特性，將DC/DC的輸出作為運算放大器的供電電源，即保障了高壓電路的正常工作，又大幅削減了高壓運算放大器在電路中的應用。通過實際測試，因如5D15后，即是采用常規運放LF356，可使電路穩定輸出±100 V電壓范圍。此效果可有效降低產品成本，減少電路中的干擾來源，提高安全性。

[1]呂長志,馬衛東,謝雪松,張小玲,劉揚,黃春益,李志國.DC/DC電源模塊可靠性的研究[J].北京:北京工業大學學報,2010(07).

[2]李婷婷,李洪波.數控大功率精密恒流源設計[J].通信電源技術,2006(05).

[3]時萬春,張東,魏道政,孫義和.現代集成電路測試技術[M].北京:化學工業出版社,2006.

[4]姜巖峰,張曉波,楊兵. 集成電路測試技術基礎[M].北京:化學工業出版社,2008.

[5]周淑閣.模擬電子技術[M].南京:東南大學出版社,2008.

[6]徐智偉,張盛兵.Soc的可測性涉及策略[J].北京:計算機測量與控制,2008(08).

[7]譚永良,伍廣鐘,崔華醒,吳文仕.自動測試設備加流測壓及加壓測流的設計[J].上海:電子技術,2011,38(1).

[8]馮建科,張生文,郭士瑞.VXI數模混合信號集成電路測試系統[J].北京:電子測量與儀器學報,2005,19(2).