超高穩定度大直流恒流源的設計*

占 清,朱自科,陳 勇,張自長,曾舒帆,李亞娟

(1.西南林業大學機械與交通學院,昆明 650224;2.云南省計量測試技術研究院,昆明 650228)

超高穩定度大直流恒流源的設計*

占 清1,2,朱自科2*,陳 勇2,張自長2,曾舒帆2,李亞娟2

(1.西南林業大學機械與交通學院,昆明 650224;2.云南省計量測試技術研究院,昆明 650228)

研制的超高穩定度大直流恒流源在國防、計量、精密測量等領域都有著重要的應用價值。該直流恒流源主要采用直流電流比較儀作為反饋采樣元件,使用“極低負載效應分布式電阻”作為恒流源的輸出信號采樣電阻,可降低電阻功耗,溫漂減小,噪聲有抵消效應,使恒流源的穩定性提高了一個數量級;采用功率管并聯,實現大直流輸出。測試結果表明:該恒流源穩定性優于0.001%(1 min),最大輸出電流達400 A,是一款性能優異的超高穩定度的大直流恒流源。

恒流源;超高穩定;極低負載效應;大電流;直流電流比較儀

恒流源以輸入交流電壓控制輸出穩定的電流達到穩流流目的,實際應用中通過采樣輸出電壓信號,通過閉環反饋與基準直流電壓信號通過比較控制放大器進行比較放大調節輸出高穩定的電流。恒流源在鐵路交通、現代醫學、通信技術、國防工業、光電效應以及計量測試等領域得到廣泛的應用,隨著電子技術與數字電路的廣泛應用與不斷地發展,各個應用領域對恒流源提出了更高的要求[1]。

本項目設計的超高穩定度大直流恒流源,具有高可靠性、高穩定度、大電流、大功率等特點。目前市場上的恒流源無法同時兼顧高穩定的同時輸出大電流,因此研制超穩定度恒流源具是非常有意義的。

1 恒流源的基本原理

理想的恒流源應具有以下特點:內阻無限大,電流不因負載變化以及環境溫度變化而改變。恒流源系統采用了高穩定度、波紋系數小、線性負反饋式恒流源形式[2],系統主要由電源、功率放大電路、采樣反饋電路、D/A、A/D以及單片機模塊組成,系統整體框圖如圖1所示。

圖1 恒流源的整體設計

2 恒流源關鍵電路的設計

恒流源需解決輸出電流大且可連續可調、低漂移以及在功放單元中并聯方式擴展量程共地引起的不穩定以及功放散熱問題等問題。下面介紹幾個關鍵部分的設計。

2.1 電源電路

高品質的電源設計是恒流源能夠高效地工作的前提條件之一。恒流源電路的供電部分主要采用的橋式整流電路。第1部分為主電源電路,應用電容濾波型三相橋式整流電路[3-4],能得到平滑的大功率電信號,應用在對電源信號質量要求較高的場合;將輸入信號進行有效的隔離濾波,供電部分輸入380 V、32 A的三相交流電,此部分作用主要是為功放電路的功率管供電,高品質的電源提高功率三極管的使用性能,簡化了功放電路,提高了恒流源的工作可靠性。第2部分為輔助電源電路,此部分主要為單相整流濾波電路,輸入220 V、50 Hz的市電,經過變壓器變壓整流濾波之后,經過穩壓芯片進行穩壓輸出電壓信號,此部分主要給運算放大器IC供電。

2.2 直流反饋采樣電路

直流恒流源主要采用直流電流比較儀作為反饋采樣元件,使用“極低負載效應分布式電阻”作為恒流源的反饋和輸出信號采樣電阻,可使系統電阻消耗的功率下降,溫漂減小,噪聲有抵消效應,采樣環節幾乎不產生發熱,使恒流源的穩定性提高了一個數量級。直流電流比較儀與“極低負載效應分布式電阻”構成的反饋采樣元件的組合,使得恒流源能輸出超高穩定的大直流電流。

2.2.1 直流電流比較儀

在傳統的恒流源設計中,采用分流器實現直流采樣,一般對于小電流采樣是能滿足需求,但是對于大電流采樣,存在采樣電壓信號低、信噪比低、穩定漂移高、溫漂較大,制約著恒流源穩定性提高。在本項項目中,采用直流比較儀來實現電流變換采樣,提供精確的電流比例變化,提高了恒流源穩定性[5],直流比較儀如圖2所示。

圖2 直流電流比較儀原理

在恒流源的反饋換件采用直流反饋,采用磁調制式直流電流比較儀作為反饋元件,直流電力與比較儀能夠將各檔電流(無論是大電流還是小電流)變換成歸一化的滿幅信號為0.1 A的小電流進行采樣,這樣解決了在采樣環節的因溫度漂移造成恒流源輸出電流不穩定的問題,而且能夠做到大電流與小電流具有相同的穩定度,同時大大地降低了采樣環節的功耗,使采樣環節幾乎不產生熱量。磁調制式直流電流比較儀一般采用對稱雙鐵芯,四繞組結構和“零磁通”原理的閉環控制結構,能有效抑制激勵振蕩器的零頻噪聲以及減少輸出高次的諧波的優勢,具有高精度、低溫票、線性好的優點[6]。

2.2.2 采樣電阻

恒流源的穩定性也取決于以下3種部件。第1是標準直流電壓源,第2是低噪聲的放大器,第3是采樣電阻。前兩種由于電子技術的進步得到充分的發展,而采樣電阻則停滯不前。采樣電阻由于負載系數的影響,電流通過電阻而發熱,使得電阻值發生改變。一般情況下,減小負載系數的影響,可從兩方面著手。一方面減小采樣電阻對周圍環境的熱阻,同樣負載下的溫度變化小。另一方面,采用溫度系數低的線繞電阻或者采用溫度補償方式,也可以使得采樣電阻在工作時阻值基本不發生改變。目前國內外生產的電阻器件基本都采樣“集成式”結構,一個電阻器件只包含一個電阻元件,由于這種電阻元件對外界的沖擊或應力敏感,因此需要加上鎧裝進行保護,反而使得電阻元件在通電時因發熱使負載變大,影響恒流源的穩定性。

恒流源的采樣電阻采用由中國計量科學院研發生產的 2只“極低負載效應分布式負載電阻”串聯組成,阻值分別為50 Ω、10 Ω,采樣出滿幅為6 V信號直接作為反饋信號。“極低負載效應分布式電阻”負載系數極小,優于10-6量級,性能明顯優于國內外電阻器件。將其作為采樣電阻,能全面提高恒流源的穩定度。“極低負載效應分布式電阻”采用并聯型的鏈形分布式電路結構,對環境的接觸面積大為增加,與參與并聯的電阻元件的高阻值相比,分布式電阻的連接導線自身的內阻電阻的就顯得要小很多,對整個分布式電阻系統的影響就可以忽略不計。又因為分配給每個電阻元件的電流很小,使得熱阻降低,因此分布式電阻的總體負載效應大為降低。分布式電阻結構主要是把電阻元件并聯起來形成鏈形電路,為了去除連接導線以及接觸電阻的影響,其整體作為一個分布式的四端電阻,鏈形電路的輸入端作為電流端鈕[7]。電阻采用德國Isabellenhütte公司生產錳銅絲為線材的線繞電阻,選擇導熱性良好的紫銅作為電阻骨架。如圖3所示,r表示連接兩個電阻元件之間導線的內阻,R表示參與并聯的每個電阻元件的阻值,它們構成了四端鏈式分布式電阻的一個單元環節,多個環節并聯連接就形成了分布式電阻的結構。

圖3 分布式電阻的一個環節

圖4 前置放大電路圖

2.3 前置放大電路的設計

前置放大電路的優異直接影響功率放大電路性能,主要是通過負反饋原理,需要將基準電壓與采樣信號通過運算放大器進行比較放大,從而驅動功率放大電路[8]。圖4為前置放大電路圖,由多個運算放大IC組成。

圖4中,Vs為可調直流基準電壓源,Vi為采樣電壓,Vs由高性能的可調直流基準電壓源提供。IC8為電壓跟隨器,IC9、IC10、IC11、IC12為反向比例放大器。采樣電壓Vi經IC11反向放大產生信號作為IC12的反向端輸入信號放大產生信號V1,Vs經過電壓跟隨器IC8后產生信號輸入IC9的反向端生成放大信號V2,V1與V2累加之和作為IC10的反向端輸入信號,最后放大生成信號Vo流向功率放大電路。如果輸出電流增大,則采樣電壓Vi也隨之增大,而V1大小為負值,V2大小為正值,反饋電壓也增大,則輸出電壓Vo減小,其中Vo=K(V2-V1),K為運算放大器增益放大倍數。圖中運放IC均為OP07CP高精度低漂移運算放大器。

2.4 功率放大模塊

2.4.1 功率放大電路設計

直流恒流源采用互射級跟隨器功率放大輸出,功率放大電路簡圖如圖5所示。Q1、Q2、Q3組成電流放大電路使電流反向放大,產生的放大電流作為功率三極管Q的基極電流.每組三極管組均有多個達林頓三極管并聯而成[9]。每個達林頓三極管發射極端均通過阻值很小的線繞電阻與輸出端連接,將輸出電流放大至最大輸出400 A。

圖5 功率放大電路簡圖

2.4.2 達林頓管的相關特性分析

目前市場上的功率放大器件主要由場效應管與晶體三極管。場效應管與晶體三極管相比較,各有所長,但是在大電壓大電流場合,場效應管參數離散性相對較大,并且其配對方法對實驗設備的要求較高,而晶體三極管的配對則相對較簡單,能夠有效避免瞬態電流尖峰的沖擊[10-11]。本文設計的恒流源對功率管的直流電流增益要求較高,為實現恒流源的大電流、大功率輸出,必須為功率三極管提供較大的基極驅動電流,所以功率管選用直流電流增益較大的NPN型大功率達林頓管MJ11032作為恒流源系統的電流放大器件。

達林頓管又稱復合管,一般由兩只功率三極管并聯組合形成一只新的功率三極管,其性能由第1只三極管決定。直流電流增益為三極管的是二者之積。在電子電路設計中,達林頓接法常用于功率放大器和穩壓電源中。根據三極管放大特性可知:

IC=βIB

(1)

由式(1)可推出,理想狀態下,恒流源輸出電流的大小:

(2)

式中:i=1,2,3,…,n(n為整數),βi為達林頓管的直流電流增益。

2.4.3 功耗平衡措施

由于本文采取功率管并聯的方式來實現大電流輸出,在理想情況下,通過功率管并聯能實現功耗的均衡。但是恒流源系統在實際工作時,可能會因為通過某一功率管的電流過大而使系統功耗不均衡,甚至會因溫度過高而損害元器件。為了保證恒流源系統的正常工作性能,實現功率管功耗均衡,我們主要需要解決電流均衡以及散熱均衡問題[12]。

通過功率管并聯實現電流的均衡,當功率管供電電壓及保護電阻的阻值相同時,在理論上,每只功率管功耗是相同的。但是在實際設計中,需要通過調整功率管的保護電阻阻值參數以及合理布線平衡系統的功耗。在功放環節,由于功率管的主要功耗集中在集電區與集電極,故將MJ11032的基極與其散熱板相連,能夠有效地使恒流源系統正常工作。恒流源封裝在完整的機箱內,用于保護電子線路不受外界環境的干擾與影響,但是會不利于散熱,因此電子元器件的布局、機箱設計以及散熱風道的設計尤為重要。將大功率元件放置于氣流入口的上游,將小功率元件置于氣流下游,便于增加空氣的流動,平衡機箱內的溫度,使恒流源能夠散熱均衡[13-14]。

3 恒流源穩定度分析

恒流源系統最大輸出電流可達400A,在實驗中通過測量采樣電阻上電流的方法,檢驗恒流源的穩定度,間接說明功率管的均流情況,輸出電流穩定度是直流恒流源的一個重要指標就是,它是指輸出電流相對干自身變化量的比值,其公式如下所示:

(3)

式中:ID為電流設定值,Imax、Imin為每組電流測量值。

為實現系統輸出電流高穩定度、大電流以及低紋波系數,在采樣電阻的選擇上,原先采用金屬箔電阻,恒流源輸出電流穩定度并不令人滿意,隨后采用中國計量研究院研制的“極低負載效應分布式電阻”,恒流源輸出電流的穩定度達到了預期值。恒流源設有100A、400A兩檔電流值,通過步進調節,能夠實現0～400A的電流輸出。本文通過恒流源系統設定電流值ID分別為100A、400A時,系統輸出電流的穩定度。

圖7 400 A電流輸出情況

在測試輸出電流穩定度時,由于系統剛開機運行時,系統輸出電流不穩定,所以需要先將恒流源系統預熱20 min～30 min,再進行輸出電流穩定度的測量。為了保證實驗數據的可靠性,連續記錄數據,每3 min采集一次偏離平均數值最大的數,每隔1 h計算一次輸出電流穩定度。圖6為設定電流值ID=100 A時恒流源系統電流輸出情況,圖7為設定電流值ID=400 A時系統電流輸出情況。橫坐標為輸出電流大小I,單位為A,縱坐標為時間t,單位為min。由于恒流源的設計過程中,大功率管的散熱問題無法得到充分的解決,當ID=400 A,若長時間工作,將產生大量的熱,使得在400 A電流輸出時,不得不考慮,恒流源的安全性,而恒流源主要作為標準源使用,應用于計量領域,沒有長時間連續工作的需求,已經能夠滿足實際的需求,所以實際的過程中,無需大功率管的散熱性能做更進一步的優化。由式(3)可知輸出電流穩定度如表1所示,表1所表示的是恒流源系統輸出電流的穩定度。

圖6 100 A電流輸出

電流/A極低負載效應分布式電阻1h2h3h4h金屬箔電阻1h2h3h4h1000.00070%0.00080%0.00070%0.00050%0.00270%0.00170%0.00240%0.00120%4000.00100%0.00100%0.00050%0.00075%0.00500%0.01200%0.01800%0.01600%

測試100 A、400 A兩擋電流,在大直流恒流源具有很高的代表性,由以上數據可知,采用“極低負載效應分布式電阻”作為采樣電阻,100 A擋電流穩定度明顯優于0.001%(min),400 A恒流源系統電流輸出穩定度基本達到設計要求0.001%(min)的要求,兩檔電流均隨著恒流源的運行輸出電流趨于平穩。但是,當設定電流值為100 A,恒流源輸出電流曲線變化較為平緩,相較而言,當設定電流值為400 A,恒流源源的輸出電流曲線變化相對大,可以推斷出,輸出電流越大,恒流源的穩定度的線性度相對較差。

4 總結

研究的超高穩定度大直流恒流源通過添加繞線電阻平衡以及優化相關電路參數來平衡電流,從而實現系統功耗平衡。選擇將“極低負載效應分布式采樣電阻”應用于直流恒流源作為反饋采樣電阻流中的電流變換的采樣電阻將極大提高電流源的穩定度與精度。該恒流源系統輸出電流0～400 A,電路穩定度達到0.001%(min),電流紋波系數小,散熱性較好。當然,恒流源也存在不足,例如,當設定電流值達到400 A時,對其功率管散熱處措施是不夠優化。

恒流源作為一種直流標準源,對我國恒源產業的發展具有重大意義。并聯功率三極管來實現恒流源的大直流輸出,基于這種技術,在今后的600 A、800 A甚至更大電流的超高高穩定大直流恒流源技術的研究,將會變得更加重要。

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Design of Ultrahigh-Stability Big DC Constant Current Source*

ZHANQing1,2,ZHUZike2*,CHENYong2,ZHANGZichang2,ZENGShufan2,LIYajuan2

(1.College of Mechanical and Transportation,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China;2.Yunnan Technological Research Institute of Metrology and Measurement,Kunming 650228,China)

Development of ultrahigh-stability big DC constant current source has important application value in the field of national defense industry,metrology,precision measurement and so on. The design of DC constant current source,DC current comparator was adopted as a sampling element and the Distributed Low Load Coefficient Precision Resistor was used as a constant current source feedback and the output signal of the sampling resistor,so the overall stability of the constant current sources was improved. And the power tube in parallel realized DC constant current source of big current output,thereby the system reliability was also improved. The performance of the designed constant current source is tested,and the results indicate that the source could generate a ultrahigh-stability current. The stability of the output current is excel to 0.001%(min),the maximal output current is 400 A and it’s an excellent ultrahigh-stability big DC constant current source.

constant current source;ultrahigh-stability;low load coefficient;big current;DC current comparator

項目來源:國家重大科學儀器設備開發專項項目(2011YQ090004)

2016-04-19 修改日期:2016-05-25

TM9

A

1005-9490(2017)03-0607-05

C:1210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.018