30A高稳定度恒流源系统的研制-答辩

2 恒流源系统总体方案设计
本提出了一种基于负反馈式线性调整和开关型稳流器的组合调整型恒
流源设计方案。该系统主要由微控制器、参考电压、电压跟随器、误差比较
放大器、并联功率调整管、采样电阻、A/D转换模块、前级预稳压模块组成。 电流发生单元采用输出可调的开关型模块提供，后级用串联负反馈型稳流电
路进行进一步稳流，并采用多只功率MOSFET并联工作的方法扩展输出电流， 使系统在输出大电流情况下仍能达到很高的稳定度。
CLR AGND LDAC
SYNC SCLK SDIN SDO
AD5791
RFB INV
10pF
VOUT
+15V
- AD8675
A3
VREF
+
-15V
光电耦合器
DGND AGND VREFNF VREFNS VSS
VREFN
+15V
+
AD8676
A2
-
-15V
10uF
-15V
0.1uF
AD8676:缓冲基准电压输入 AD8675:对DA输出进行缓冲，提高带载能力
。 u 设计了基于MSP430单片机的核心控制电路。 u 采用定制机型完成恒流源样机装配，设计触摸屏功能和界面，对输出电流进
行了对比测试。
存在的不足：
l 步进值不精确。 l 由开关电源引入的纹波和噪声不能彻底抑制，造成小电流时信噪比大，影响
稳定度水平。 l 保护措施不全面，有待继续优化。
硕士期间科研业绩：
3 串联负反馈式稳流电路设计与分析
串联负反馈型稳流电路
+12V
VREF
A1
DAC
-12V C1 电压跟随器
数 字 控 制 部 分
+12V
A2
Uop
Vs
-12V
C2 误差比较放大器
VDC+
并联调整管
Iout
M1 R
M4 R
负载 RL
M2 R
M5 R
M3 R
M6 R
a
c
采
Rs
样
Is 电
d
阻
b
VDC－
前 级 预 HWS 稳 1500-12 压
0.1V：1.88×10-6 0.2V：9.58×10-7 0.3V：5.61×10-7
LTZ1000和AD5791 参考电压电路
恒流源电路和 MCU控制电路
5 调整管并联均流工作的分析
调整管是稳流电路的执行元件，通过误差放大器的输出信号改变其导通程度 从而对回路中的电流进行微调整。对比传统的三极管调整器件，最终选择功率 MOSFET作为本设计的调整管。并采用了多只MOSFET并联工作的方式，在扩展 整个系统的输出电流值的同时减少了每个管子上的功耗。
由于调整管为场效应管，是电
负载
压控制型器件，即利用栅源电压的
Iout
RL
大小来改变半导体表面感生电荷的
理想电流公式：
Iout
Is
Vs Rs
VREF Rs
dIout

1 Rs
dVREF

VREF Rs 2
dRs
- 多少，从而控制漏极电流的大小，
UDC
亦即通过Uop的大小对输出电流Iout
进行实时调整。
“四线制”连接法
a
a’
d’
d
b
c
温度系数测试
4 高稳定度可调参考电压模块研制
基准电压采用隐埋式齐纳基准电压芯片LTZ1000提供，可产生低至0.05ppm/℃
温漂的7V输出，后级加升压电路变换为精度较高的10V输出。
+15V 7Vout
Q2
A2 + LT1013
1k
-
0.1uF
R4
R3 3
R2
84
参考电压
电压跟随器
误差比较 放大单元
+
—
并联调整管
输出电流
预稳压 模块
微控制器
触摸屏模块 A/D转换
采样电阻
2 恒流源系统总体方案设计
设计指标：
Ø电流发生：20bit DAC数字设定，开关电源预稳压后加线性调整； Ø输出电流范围：0~30A； Ø输出电压范围：0~10V； Ø最大输出功率：300W； Ø电流稳定度：≤10ppm/h； Ø电流精度：0.1%； Ø控制方式：触摸屏设定电流值及步进值、并实时显示输出电流。
采取的措施： Ø 对同批次管子的开启电压VGS(th)进行测试，选择开启电压分散性较小的几只进
行并联，尽量保证各管在相同VGS下工作状态趋于一致。 Ø 在每个MOSFET的栅极上串联一个补偿电阻R=100Ω，对栅极电阻小的管子进
行栅极电阻补偿，改善均流效果。 Ø 在每个MOSFET栅极导线上串联一个铁氧体磁珠，滤除高频噪声的影响，提高
AVCC
VREFP
+15V
-
AD8676
A1 +
VDD
-15V
0.1uF
10uF
+15V
10uF
0.1uF
单
DVCC
片
机
信
SYNC
号 连
MSP430 SCLK
接
SDIN
SYNC’ SCLK’
SDIN’
IOVCC VCC
VREFPF VREFPS
VDD
MSP430 微控制
器
光耦 隔离
VDD
RESET
VDD
30A高稳定度恒流源系统的研制
目录
1 研究背景及意义 2 恒流源总体方案设计 3 串联负反馈式稳流电路设计与分析 4 高稳定度参考电压模块研制 5 调整管并联均流工作的分析 6 样机研制与测试
1.1 高稳定度大电流恒流源的研究意义
大电流、高稳定度的恒流源，在超导磁体、激光、现代通信、电光源、 传感器技术、精密测量以及新能源汽车充电等领域有着重要的作用。研究高 稳定度、高可靠性的直流大电流恒流源可以提高设备性能，延长设备使用寿 命，提升生产工艺水平，同时还有助于提高能源利用率，在各类科学研究实 验中也具有较大应用价值。
6 样机与测试
6. 30A电流稳定度测试
Iout-
Iout+
RL
恒流源系统
V+
V-
GPIB
测试仪表
上位机
总结与展望
主要完成了以下工作：
u 分析研究恒流源发展现状，提出组合调整型恒流源设计方案，设计完成了串 联负反馈式稳流电路。
u 设计研制了高稳定度可调参考电压发生模块。 u 采用多只功率MOSFET并联工作的方式作为调整管，并对影响因素进行分析
系统抗干扰能力。 Ø 电路布局合理一致，并联的几只MOSFET对称布局，各个器件的布线长度应尽
量相等。 Ø 各MOSFET 管之间采用紧密的热耦合，将并联的调整管置于同一个散热片上，
并且分布均匀，使各个MOSFET管的温度尽量一致。
5 调整管并联均流工作的分析
在未采取均流措施和采取均流措施后的测试结果对比
三极管
场效应管
1
基于少数载流子导电，
基于多数载流子导电，
噪声相对较大
噪声较小
2
电流控制型器件，
基极电流Ib易受温度影响
电压控制型器件， 栅极几乎不取电流
3
输出阻抗较小，负载变化大时
输出阻抗ห้องสมุดไป่ตู้，负载变化时
对电流稳定度影响大
对电流稳定度影响较小
5 调整管并联均流工作的分析
多只功率MOSFET在并联工作时，由于器件参数的差异以及流过电流的不均 和散热不均衡，容易造成某一只管子因为过热而工作在不正常状态，对稳流电 路的稳流效果造成影响。
dIout dVREF dRs
I out
VREF
Rs
电流采样方案的选择：
电流采样的稳定性和精度直接影响恒流源输出电流的稳定性和精度。
常用的采样方法：采样电阻法、直流电流互感器。
采用RUG-Z型分流器电阻，阻值为0.01Ω，最大功率250W，具有温度 漂移小、体积小、散热性好、易于安装的特点。
基本稳流电路
电路工作原理：
基准电压 US
+VCC
-
跟随器 A1
+
-VCC
+VCC
VREF + 误差放大器 A2
-
Vs
-VCC
UDC +
调整管 MR
UOP
采样电阻 IS RS
采样电阻Rs对输出电流Iout进行 采样，将电流值转化为反馈电压Vs 后 输入误差比较放大器的负输入端 ；
反馈电压Vs与经过跟随器A1之 后形成的参考电压VREF相比较，其 差值经高增益运算放大器A2放大后 输出电压Uop；
的隔离式检测电路. 发明专利. 公开号: CN103926530A.
谢谢观看 请各位老师批评指正
Ø 张存凯; 李正坤; 陈乐; 张钟华. 多MOSFET并联均流的高稳定度恒
流源研究. 电测与仪表(已录用).
Ø 张存凯; 陈乐; 富雅琼; 谢敏; 王营. 一种用于扫描开关内部继电器
状态的隔离式检测电路.
实用新型专利.
专利号:
ZL201920196528.1.
Ø 陈乐; 张存凯; 富雅琼; 谢敏; 王营. 用于扫描开关内部继电器状态
5
Q2
Q1
10k
7
+ A1 LT1013 -
0.1uF R5 1M
R1
0.002uF
GND
1
2
Heater GND
电压稳定度：2.38×10-7
4 高稳定度可调参考电压模块研制
采用MSP430单片机控制高精度DA转换芯片AD5791产生可调参考电
压提供给基本稳流电路。LTZ1000模块输出10V作为AD5791的基准电压。
超导 磁体
直流 充电
精密 测量
应用领域
1.2 课题提出的背景
目前市场上的大多数恒流源产品输出电流范围不是很大、且输出大电 流时稳定度不高，难以满足高精度测量和对电流稳定度要求较高的应用场 合。中国计量科学研究院“宽量限超高精密电流测量仪”项目组研制的大电 流测量装置，就需要10A以上、稳定度优于10ppm的高稳定度电流作为测 量标准源，而满足要求的商品化恒流源在国内市场上并不多见，国外的产 品则价格相对昂贵。 技术方案：线性稳流源和开关型稳流源为主。 Ø 线性稳流源：稳定度高、技术成熟，但效率低、发热大，大电流时体积大 Ø 开关型稳流源：体积小、效率高、功率大，但稳定度不高，纹波噪声大 产品指标： 国内：北京大华、扬州双鸿、天津瑞卡特，输出电流范围：0~100A，稳定度 水平：10-4~10-5量级。 国外：英国低温公司(Cryogenic)、美国安捷伦(Agilent)，输出电流范围： 0~200A，稳定度水平：10-5量级。