超高稳定度大直流恒流源的设计*

占 清,朱自科,陈 勇,张自长,曾舒帆,李亚娟

(1.西南林业大学机械与交通学院,昆明 650224;2.云南省计量测试技术研究院,昆明 650228)

超高稳定度大直流恒流源的设计*

占 清1,2,朱自科2*,陈 勇2,张自长2,曾舒帆2,李亚娟2

(1.西南林业大学机械与交通学院,昆明 650224;2.云南省计量测试技术研究院,昆明 650228)

研制的超高稳定度大直流恒流源在国防、计量、精密测量等领域都有着重要的应用价值。该直流恒流源主要采用直流电流比较仪作为反馈采样元件,使用“极低负载效应分布式电阻”作为恒流源的输出信号采样电阻,可降低电阻功耗,温漂减小,噪声有抵消效应,使恒流源的稳定性提高了一个数量级;采用功率管并联,实现大直流输出。测试结果表明:该恒流源稳定性优于0.001%(1 min),最大输出电流达400 A,是一款性能优异的超高稳定度的大直流恒流源。

恒流源;超高稳定;极低负载效应;大电流;直流电流比较仪

恒流源以输入交流电压控制输出稳定的电流达到稳流流目的,实际应用中通过采样输出电压信号,通过闭环反馈与基准直流电压信号通过比较控制放大器进行比较放大调节输出高稳定的电流。恒流源在铁路交通、现代医学、通信技术、国防工业、光电效应以及计量测试等领域得到广泛的应用,随着电子技术与数字电路的广泛应用与不断地发展,各个应用领域对恒流源提出了更高的要求[1]。

本项目设计的超高稳定度大直流恒流源,具有高可靠性、高稳定度、大电流、大功率等特点。目前市场上的恒流源无法同时兼顾高稳定的同时输出大电流,因此研制超稳定度恒流源具是非常有意义的。

1 恒流源的基本原理

理想的恒流源应具有以下特点:内阻无限大,电流不因负载变化以及环境温度变化而改变。恒流源系统采用了高稳定度、波纹系数小、线性负反馈式恒流源形式[2],系统主要由电源、功率放大电路、采样反馈电路、D/A、A/D以及单片机模块组成,系统整体框图如图1所示。

图1 恒流源的整体设计

2 恒流源关键电路的设计

恒流源需解决输出电流大且可连续可调、低漂移以及在功放单元中并联方式扩展量程共地引起的不稳定以及功放散热问题等问题。下面介绍几个关键部分的设计。

2.1 电源电路

高品质的电源设计是恒流源能够高效地工作的前提条件之一。恒流源电路的供电部分主要采用的桥式整流电路。第1部分为主电源电路,应用电容滤波型三相桥式整流电路[3-4],能得到平滑的大功率电信号,应用在对电源信号质量要求较高的场合;将输入信号进行有效的隔离滤波,供电部分输入380 V、32 A的三相交流电,此部分作用主要是为功放电路的功率管供电,高品质的电源提高功率三极管的使用性能,简化了功放电路,提高了恒流源的工作可靠性。第2部分为辅助电源电路,此部分主要为单相整流滤波电路,输入220 V、50 Hz的市电,经过变压器变压整流滤波之后,经过稳压芯片进行稳压输出电压信号,此部分主要给运算放大器IC供电。

2.2 直流反馈采样电路

直流恒流源主要采用直流电流比较仪作为反馈采样元件,使用“极低负载效应分布式电阻”作为恒流源的反馈和输出信号采样电阻,可使系统电阻消耗的功率下降,温漂减小,噪声有抵消效应,采样环节几乎不产生发热,使恒流源的稳定性提高了一个数量级。直流电流比较仪与“极低负载效应分布式电阻”构成的反馈采样元件的组合,使得恒流源能输出超高稳定的大直流电流。

2.2.1 直流电流比较仪

在传统的恒流源设计中,采用分流器实现直流采样,一般对于小电流采样是能满足需求,但是对于大电流采样,存在采样电压信号低、信噪比低、稳定漂移高、温漂较大,制约着恒流源稳定性提高。在本项项目中,采用直流比较仪来实现电流变换采样,提供精确的电流比例变化,提高了恒流源稳定性[5],直流比较仪如图2所示。

图2 直流电流比较仪原理

在恒流源的反馈换件采用直流反馈,采用磁调制式直流电流比较仪作为反馈元件,直流电力与比较仪能够将各档电流(无论是大电流还是小电流)变换成归一化的满幅信号为0.1 A的小电流进行采样,这样解决了在采样环节的因温度漂移造成恒流源输出电流不稳定的问题,而且能够做到大电流与小电流具有相同的稳定度,同时大大地降低了采样环节的功耗,使采样环节几乎不产生热量。磁调制式直流电流比较仪一般采用对称双铁芯,四绕组结构和“零磁通”原理的闭环控制结构,能有效抑制激励振荡器的零频噪声以及减少输出高次的谐波的优势,具有高精度、低温票、线性好的优点[6]。

2.2.2 采样电阻

恒流源的稳定性也取决于以下3种部件。第1是标准直流电压源,第2是低噪声的放大器,第3是采样电阻。前两种由于电子技术的进步得到充分的发展,而采样电阻则停滞不前。采样电阻由于负载系数的影响,电流通过电阻而发热,使得电阻值发生改变。一般情况下,减小负载系数的影响,可从两方面着手。一方面减小采样电阻对周围环境的热阻,同样负载下的温度变化小。另一方面,采用温度系数低的线绕电阻或者采用温度补偿方式,也可以使得采样电阻在工作时阻值基本不发生改变。目前国内外生产的电阻器件基本都采样“集成式”结构,一个电阻器件只包含一个电阻元件,由于这种电阻元件对外界的冲击或应力敏感,因此需要加上铠装进行保护,反而使得电阻元件在通电时因发热使负载变大,影响恒流源的稳定性。

恒流源的采样电阻采用由中国计量科学院研发生产的 2只“极低负载效应分布式负载电阻”串联组成,阻值分别为50 Ω、10 Ω,采样出满幅为6 V信号直接作为反馈信号。“极低负载效应分布式电阻”负载系数极小,优于10-6量级,性能明显优于国内外电阻器件。将其作为采样电阻,能全面提高恒流源的稳定度。“极低负载效应分布式电阻”采用并联型的链形分布式电路结构,对环境的接触面积大为增加,与参与并联的电阻元件的高阻值相比,分布式电阻的连接导线自身的内阻电阻的就显得要小很多,对整个分布式电阻系统的影响就可以忽略不计。又因为分配给每个电阻元件的电流很小,使得热阻降低,因此分布式电阻的总体负载效应大为降低。分布式电阻结构主要是把电阻元件并联起来形成链形电路,为了去除连接导线以及接触电阻的影响,其整体作为一个分布式的四端电阻,链形电路的输入端作为电流端钮[7]。电阻采用德国Isabellenhütte公司生产锰铜丝为线材的线绕电阻,选择导热性良好的紫铜作为电阻骨架。如图3所示,r表示连接两个电阻元件之间导线的内阻,R表示参与并联的每个电阻元件的阻值,它们构成了四端链式分布式电阻的一个单元环节,多个环节并联连接就形成了分布式电阻的结构。

图3 分布式电阻的一个环节

图4 前置放大电路图

2.3 前置放大电路的设计

前置放大电路的优异直接影响功率放大电路性能,主要是通过负反馈原理,需要将基准电压与采样信号通过运算放大器进行比较放大,从而驱动功率放大电路[8]。图4为前置放大电路图,由多个运算放大IC组成。

图4中,Vs为可调直流基准电压源,Vi为采样电压,Vs由高性能的可调直流基准电压源提供。IC8为电压跟随器,IC9、IC10、IC11、IC12为反向比例放大器。采样电压Vi经IC11反向放大产生信号作为IC12的反向端输入信号放大产生信号V1,Vs经过电压跟随器IC8后产生信号输入IC9的反向端生成放大信号V2,V1与V2累加之和作为IC10的反向端输入信号,最后放大生成信号Vo流向功率放大电路。如果输出电流增大,则采样电压Vi也随之增大,而V1大小为负值,V2大小为正值,反馈电压也增大,则输出电压Vo减小,其中Vo=K(V2-V1),K为运算放大器增益放大倍数。图中运放IC均为OP07CP高精度低漂移运算放大器。

2.4 功率放大模块

2.4.1 功率放大电路设计

直流恒流源采用互射级跟随器功率放大输出,功率放大电路简图如图5所示。Q1、Q2、Q3组成电流放大电路使电流反向放大,产生的放大电流作为功率三极管Q的基极电流.每组三极管组均有多个达林顿三极管并联而成[9]。每个达林顿三极管发射极端均通过阻值很小的线绕电阻与输出端连接,将输出电流放大至最大输出400 A。

图5 功率放大电路简图

2.4.2 达林顿管的相关特性分析

目前市场上的功率放大器件主要由场效应管与晶体三极管。场效应管与晶体三极管相比较,各有所长,但是在大电压大电流场合,场效应管参数离散性相对较大,并且其配对方法对实验设备的要求较高,而晶体三极管的配对则相对较简单,能够有效避免瞬态电流尖峰的冲击[10-11]。本文设计的恒流源对功率管的直流电流增益要求较高,为实现恒流源的大电流、大功率输出,必须为功率三极管提供较大的基极驱动电流,所以功率管选用直流电流增益较大的NPN型大功率达林顿管MJ11032作为恒流源系统的电流放大器件。

达林顿管又称复合管,一般由两只功率三极管并联组合形成一只新的功率三极管,其性能由第1只三极管决定。直流电流增益为三极管的是二者之积。在电子电路设计中,达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。根据三极管放大特性可知:

IC=βIB

(1)

由式(1)可推出,理想状态下,恒流源输出电流的大小:

(2)

式中:i=1,2,3,…,n(n为整数),βi为达林顿管的直流电流增益。

2.4.3 功耗平衡措施

由于本文采取功率管并联的方式来实现大电流输出,在理想情况下,通过功率管并联能实现功耗的均衡。但是恒流源系统在实际工作时,可能会因为通过某一功率管的电流过大而使系统功耗不均衡,甚至会因温度过高而损害元器件。为了保证恒流源系统的正常工作性能,实现功率管功耗均衡,我们主要需要解决电流均衡以及散热均衡问题[12]。

通过功率管并联实现电流的均衡,当功率管供电电压及保护电阻的阻值相同时,在理论上,每只功率管功耗是相同的。但是在实际设计中,需要通过调整功率管的保护电阻阻值参数以及合理布线平衡系统的功耗。在功放环节,由于功率管的主要功耗集中在集电区与集电极,故将MJ11032的基极与其散热板相连,能够有效地使恒流源系统正常工作。恒流源封装在完整的机箱内,用于保护电子线路不受外界环境的干扰与影响,但是会不利于散热,因此电子元器件的布局、机箱设计以及散热风道的设计尤为重要。将大功率元件放置于气流入口的上游,将小功率元件置于气流下游,便于增加空气的流动,平衡机箱内的温度,使恒流源能够散热均衡[13-14]。

3 恒流源稳定度分析

恒流源系统最大输出电流可达400A,在实验中通过测量采样电阻上电流的方法,检验恒流源的稳定度,间接说明功率管的均流情况,输出电流稳定度是直流恒流源的一个重要指标就是,它是指输出电流相对干自身变化量的比值,其公式如下所示:

(3)

式中:ID为电流设定值,Imax、Imin为每组电流测量值。

为实现系统输出电流高稳定度、大电流以及低纹波系数,在采样电阻的选择上,原先采用金属箔电阻,恒流源输出电流稳定度并不令人满意,随后采用中国计量研究院研制的“极低负载效应分布式电阻”,恒流源输出电流的稳定度达到了预期值。恒流源设有100A、400A两档电流值,通过步进调节,能够实现0～400A的电流输出。本文通过恒流源系统设定电流值ID分别为100A、400A时,系统输出电流的稳定度。

图7 400 A电流输出情况

在测试输出电流稳定度时,由于系统刚开机运行时,系统输出电流不稳定,所以需要先将恒流源系统预热20 min～30 min,再进行输出电流稳定度的测量。为了保证实验数据的可靠性,连续记录数据,每3 min采集一次偏离平均数值最大的数,每隔1 h计算一次输出电流稳定度。图6为设定电流值ID=100 A时恒流源系统电流输出情况,图7为设定电流值ID=400 A时系统电流输出情况。横坐标为输出电流大小I,单位为A,纵坐标为时间t,单位为min。由于恒流源的设计过程中,大功率管的散热问题无法得到充分的解决,当ID=400 A,若长时间工作,将产生大量的热,使得在400 A电流输出时,不得不考虑,恒流源的安全性,而恒流源主要作为标准源使用,应用于计量领域,没有长时间连续工作的需求,已经能够满足实际的需求,所以实际的过程中,无需大功率管的散热性能做更进一步的优化。由式(3)可知输出电流稳定度如表1所示,表1所表示的是恒流源系统输出电流的稳定度。

图6 100 A电流输出

电流/A极低负载效应分布式电阻1h2h3h4h金属箔电阻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%

测试100 A、400 A两挡电流,在大直流恒流源具有很高的代表性,由以上数据可知,采用“极低负载效应分布式电阻”作为采样电阻,100 A挡电流稳定度明显优于0.001%(min),400 A恒流源系统电流输出稳定度基本达到设计要求0.001%(min)的要求,两档电流均随着恒流源的运行输出电流趋于平稳。但是,当设定电流值为100 A,恒流源输出电流曲线变化较为平缓,相较而言,当设定电流值为400 A,恒流源源的输出电流曲线变化相对大,可以推断出,输出电流越大,恒流源的稳定度的线性度相对较差。

4 总结

研究的超高稳定度大直流恒流源通过添加绕线电阻平衡以及优化相关电路参数来平衡电流,从而实现系统功耗平衡。选择将“极低负载效应分布式采样电阻”应用于直流恒流源作为反馈采样电阻流中的电流变换的采样电阻将极大提高电流源的稳定度与精度。该恒流源系统输出电流0～400 A,电路稳定度达到0.001%(min),电流纹波系数小,散热性较好。当然,恒流源也存在不足,例如,当设定电流值达到400 A时,对其功率管散热处措施是不够优化。

恒流源作为一种直流标准源,对我国恒源产业的发展具有重大意义。并联功率三极管来实现恒流源的大直流输出,基于这种技术,在今后的600 A、800 A甚至更大电流的超高高稳定大直流恒流源技术的研究,将会变得更加重要。

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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

项目来源:国家重大科学仪器设备开发专项项目(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