高精度恒流源设计(电气况勇)初稿

流源设计(电气况勇)初稿高精度恒流源设计目录摘要Abstract0引言1恒流源入门1.1恒流源定义1.1.1简易恒流源1.1.2运放恒流源1.1.3恒流源的基本要素2.电力电子技术和直流稳定电源2.1电力电子技术的概况2.1.2电力电子器件的发展概况2.1.3电力电子变换技术的发展2.1.4电力电子控制技术的发展2.2电力电子技术的发展趋势2.3直流变换器软开关技术3高稳定度稳流电源基础理论3.1稳流电源主要性能指标3.2直流稳流电源的现状3.3直流稳流电源的发展趋势3.4直流稳流电源的分类4.1结论参考文献致谢摘要电流源输出的电流和外部影响无关，是电子仪器设备的壹个重要组成部分。随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化的方向发展。电流源能够见做输出电压随着负载而变化，保证负载中的电流恒定不变。以此为思路，本设计MCS51作为控制电路，TL494作调整电路。整个电路效率高，输出较稳定，纹波电流较小。主要性能参数：最大输出电压25V20mA。本文先介绍了电流源的应用，然后简要说明电力电子技术，数控技术的发展，开始分析电流源的电路相应参数的计算，最后分析控制电路。其中，以控制电路的分析为重点，着重说明MCS51在电路中的应用。先说明硬件电路的组成，然后分析各个程序，说明控制的原理。关键字：电流源；数控；MCS51ABSTRACTCurrentsoutputbycurrentsourceunrelatedwithexternalparts,wichisanimportantcomponentofelectronicequipment.Withtherapiddevelopmentoftheinformationage,powerequipmentgraduallydevelopsinthedirectionofdigit.Seeingoutputvoltagewiththecurrentsourcescanloadchange,ensuringtheloadcurrentconstantunchanged.Takingthisasawayofthinking,thedesignofabuildingandintroducedanumberofcurrentOverLoadProtectionsources.MCS51usedasacontrolcircuit,TL494adjustedcircuit.Entirecircuitefficiencycanbehigher,theexportingmorestable,andthewavecurrentsbecomesmaller.Thefirstintroducedcurrentsourceapplications,andthenabriefdescriptionofthepowerofelectronictechnology,digitaltechnology,andfollowstheanalysisofcurrentsourcescircuitcorrespondingparameterscalculated,thefinalistheanalysisofcontrolcircuits.Theanalysisfocusedonthecontrolcircuit,highlightingMCS51circuitintheapplication.Firstonthecompositionofthehardwarecircuit,andthenanalysisthevariousofproceduresonthecontrolmethod.Keywords:currentsources,digital,MCS511绪言恒流源入门恒流源是电路中广泛使用的壹个组件，以下是比较常见的恒流源的结构和特点。恒流源分为流出(CurrentSource)和流入(CurrentSink)俩种形式。最简单的恒流源，就是用壹只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性且不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。图(1)简易恒流源最常用的简易恒流源如图(1)所示，用俩只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：I=Vbe/R1。这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值能够自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be电压不是壹个固定值，即使是相同型号，也有壹定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有壹定的波动。因此不适合精密的恒流需求。为了能够精确输出电流，通常使用壹个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。图(2)运放恒流源典型的运放恒流源如图所示，如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也能够用三极管代替。电流计算公式为：I=Vin/R1这个电路能够认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin仍需要用户额外提供。从之上俩个电路能够见出，恒流源有个定式就是利用壹个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个定式，恒流源的搭建就能够扩展到所有能够提供这个“电压基准”的器件上。最简单的电压基准，就是稳压二极管，利用稳压二极管和壹只三极管，能够搭建壹个更简易的恒流源。如图(3)所示：电流计算公式为：I=(Vd-Vbe)/R1L431是另外壹个常用的电压基准，利用TL431搭建的恒流源如图(4)所示，其中的三极管替换为场效应管能够得到更好的精度。电流计算公式为：I=2.5/R1事实上，所有的三端稳压，都是很不错的电压源，而且三端稳压的精度已经如图(5)所示。这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。电流计算公式为：I=V/R1，其中V是三端稳压的稳压数值。实际的电路中，有壹些特殊的结构，也能够提供很好的恒流特性，最典型的就是壹个很高的电压通过壹个电阻在壹个低压设备上形成电流，如图(6)，这个恒流源的精度，取决于高压的精确度和低压设备本身导致的电压波动。在壹些开关电源电路中，这个结构用来给三极管提供偏置电流。电流计算公式为：I=Vin/R1值得壹提的是，之上这些恒流源且不都适合安培之上级别的恒流应用，因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。图(2)能够通过使用更小的电阻来降低这个热量，不过在单电源供电模式下，多数运放都不能有效检测和输出接近地或者VccTL431等）偏置电阻上面的电压，使得这个电压进入运放的检测范围。恒流源的基本要素恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流，就能够有效形成反馈，从而建立恒流源。能够进行电流反馈的器件，仍有电流互感器，或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈，也能够利用回路上的这些方式都能够构成有效的恒流源，而且更适合大电流等特殊场合，电力电子技术的概况随着19世纪初电磁学原理的发现，电力技术得到了很大地发展，各种电气随后，晶体管特别是三极管的出现促使电子学进入壹个新的台阶，集成电路和微电子技术的进壹步发展成为可能。伴随着电力技术和电子技术的发展，许多新的控制技术和方法也诞生了。至今，随着用户对供电要求的提高，电力技术、电子技术和控制技术融为壹体成为壹门新兴的交叉学科:电力电子技术。电力电子技术是二十壹世纪的关键技术之壹，它是壹门使用电力半导体器件，应用电路和控制理论知识分析开发，实现对电能的高效变换和控制的技术。电力电子技术是电工技术的分支之壹。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和变换，是电力电子技术的主要任务。能够认为，电力电子技术研究的内容包括以下三个基本内容:①元器件(电力电子器件，磁元件及电容器)。②电力电子变流技术，包括改变频率、电压、电流及变换相数。③电力电子电路的控制技术。现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机〔微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电壹体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来.电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合.电力电子器件的发展概况电力电子学诞生以后，人们常把相对应的半导体学科分为俩个分支:壹个是以集成电路为核心的微电子学;另壹个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者单元器件的功率越来越小;后者单元器件的功率越来越大电力电子器件，既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动这又把半导体学科的俩个分支有机地结合起来，于是就出现了功率集成电路(PowerIC)简称PIC率下面概略介绍国内外先进的电力电子器件的发展动向和目前水平。(1)双极功率晶体管由于双扩散工艺的成熟，使器件的电压、电流、功率等额定值达到很高水平且己经出现了许多具有较快开关速度和较低开关损耗的新器件。随着模块化技术的进步，巨型晶体管(GiantTransistor)简称GTR，已经向高耐压、大容量方向发展。双极功率晶体管应用的主要局限性是随着阻断电压的增加，器件增益降低。由于双极功率晶体管是电流控制器件，增益减小导致了控制信号的增加，这就需要分立电路来实现，从而增加了成本。另外由于受安全工作区的限制，双极功率晶体管的应用需要缓冲电路，这也会提高应用中的系统成本。总之，目前双极功率晶体管器件发展的主要目标仍是高速晶体管、达林顿晶体管、功率模块以及混合集成器件的制造。(2)晶闸管和可关断晶闸管(GTO)自从1957年晶闸管问世以来，其功率容量大约增加了30001000A,12000V定生产水平已经是4000A,8000V，而且具有过压自保护功能它在直流输电、无功补偿、大功率直流电源、超大功率和高压变频调速等方面仍有广阔的应用领域。和晶闸管相比，GTO具有快的关断速度，高的关断电流容量和大的关断安全工作区。它代表了晶闸管的发展方向。(3)功率MOSFET功率场效应晶体管集中了电子管、双极功率晶体管和晶闸管等优点，它具有开关速度快、驱动功率小和极好的安全工作区(SOA)等特性，因此，在高性能的开关电源、斩波器和电机控制的逆变电源中得到越来越广泛的应用。它的特点如下:MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子的存贮效应，开关速度极快，目前IC直接驱动的功率MOSFET的开关频率均高于l00kHz。在IMHz左右高频工作下的DC/DC转换器已经问世。(4)绝缘栅双极晶体管(IGBT)IGBT的主要特点是能集MOSFET的电压激励和达林顿管的大电流低导通电阻特性于壹体，仍保存了高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流，对温度不敏感等MOSFETGBT流可比同类MOSFET的输出电流增加俩倍之上。IGBT有壹个固有的特点，即其开关输出脉冲后沿有约1,us长的拖尾电流。此电流会产生壹定的开关损耗。(5)静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITB)分别于70年代初期及中期在日本研制成功，现已应用于许多领域。功率SIT是具有非饱和输出特性的多子器件，可实现极高速工作;由于它具有正温度特性，能实现多个SIT且联工作，容易实现大电流化。SITH和普通晶闸管和GTO相比，有低正向压降、高开关速度、高阻断增益、di/dt和dvldtSIT相比，导通电压较低，但开关速度也低于SIT。它在大容量应用方面很有前途。总之，今后电力电子器件将沿着壹下几个方向发展:①大容量化，即高压、大电流;;;④低导通压降，可降低导通损耗;⑤模块化，使主电路结构简化，体积缩小:⑥功直集成化，将驱动、保护、检测、控制等功能和器件集成，使装置更为简化。1.1.2电力电子变换技术的发展从电能变换功能来见，电源设备中常用的变换电路有四种:AC/DC,DC/AC，DC/DC,AC/AC。每种又有单相，三相及其它各种电路类型。下面仅就四种变换电路的发展方向进行概述性的介绍:①AC/DC变换将交流电变换成直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向由电源传向负载，壹般称为“整流”。通常单相半波可控整流电路因其性能较差，只应用于小功率场合，在实际应用中，广泛使用的是单相全波可控整流电路。其电路形式有:单相桥式全控整流、单相桥式半控整流及单相双半波整流电路。三相AC/DC变流器具有比单相变流器更加优越的性能，诸如输出电压高、脉动程度小、源侧功率因数高以及动态响应快等。因此它不仅在中、大功率领域中得到广泛应用，而且仍在直流电机调速系统中得到应用。常规的整流装置，由于工作方式的影响，功率因数低，且谐波电流污染了电网，而导致用电设备之间的相互干扰。因此近年来，国内外研究功率因数校正器(PFC)成为热点。正是由于单级PFC电路在满足谐波标准的同时仍能够实现低成本、高性能，尤其适用于小功率应用，因此具有很大的市场前景。②DC/AC变换将直流电变换成交流电称之为DC/AC高压大功率逆变技术是当前电力电子技术的壹个最新发展动向。它们主要应用于大功率电机调速传动系统和电力系统。这壹方面是因为工业应用的实际需要;另壹方面是因为在这壹领域有许多挑战性的前沿研究课题:如高功率开关容量(50MVA)(>9000v)(>6000A)的新型大功率器件;新型多电平逆变器;大功率逆变器的串且联及动态投切;超大功率逆变器的EMC:新型灵活交流输电系统等。③DC/DC变换将直流电能的任壹参数(IGM值和极性)加以转换，实现这壹转换的装置称为直流变换器或斩波器。以直流变换器为核心的开关电源随着电力电子技术和计算机科学和技术的发展，其应用越来越广，目前己成为壹个重要的新兴产业。1985年有人提出了移相控制PWM变换器，通过调节移相角的大小来调节输出电压。目前，DC/DC电源的软开关技术仍是电力电子技术的壹个研究热点。④AC/AC变换AC/AC变换亦称交流调压和周波变换，把恒定交流变换为可变交流称为交流调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频。变频电路按照变换次数又可分为间接变频和直接变频俩种结构。前者指包括整流和逆变俩次变换，即将工频电网的交流电能经整流器变换为直流电能，再由逆变器变换为另壹频率的交流电能。这种电路结构较简单，技术也较为成熟，生产上已得到广泛应用。直接变频电路较间接变频电路在结构上复杂，但只有壹次转换，系统效率较高，对大容量装置有价值。电力电子控制技术的发展电力电子控制策略的发展体当下各种控制理论和控制思想的尝试和应用。目PFCPI控制是工程实际中应用最广的控制器，它概念清晰，容易实现，且鲁棒性强。比例P调节影响系统的稳定性，积分I调节消除静态误差、增加稳态精度，同时又增加了控制的相位滞后。PI稳态精度不容易满足要求。重复控制是壹种基于周期的控制方法，现已广泛应用于质子同步加速器等高在重复信号发生器内模的作用下，控制器进行逐周期点对应式的积分控制，通过对波形误差的逐点补偿，实现稳态时无静差的控制效果。二瞬时内环反馈控制是通过负反馈使反馈量接近给定，且抑制反馈环所包围的环节的参数变动或扰动所引起的偏差。因此在逆变器控制中，若给定为正弦，瞬时值内环控制能使输出电压波形尽量接近正弦，从而减小输出电压畸变率。电压电流的双环控制能够避免单环控制在抵抗负载扰动方面的缺点，同时具就是电流内环的设计要求具备足够宽的带宽，这就使得对数字控制器提出了很高的要求。相互促进的。新器件的产生使得新的电路和控制能够实现，同时壹种新的电路和应用又反过来促进器件的发展。1.2电力电子技术的发展趋势时间进入21世纪，如何解决能源、资源和环境问题，成为困扰我们人类生存的重大问题，以功率变换为目的、以实现高效获得高品质电能为根本任务的电力电子反唇技术，同微电子、计算机技术相结合将成功地解决这些危机。功率变换技术的发展趋势能够概括为:.21世纪电力电子技术研究领域可从电力半导体器件、电力电子成套装置及控制理论三大方面来探讨，而电力电子成套装置又随行业的不同可分为很多方面。1.3直流变换器软开关技术自电力电子开关变换器出现以后，PWM技术以效率高、动态性能好、线性度高等优点在各种电力变换器中得到广泛的应用，而且己经被认为是电力变换器领域中壹项成熟、理想和重要的基本控制技术，在今后仍然具有较大的发展潜力。直流变换器壹般采用PWM控制方式，开关管工作在硬开关状态。传统的PWM:(1)开关器件在开通和关断时由于开关管的电压和电流的交叠区产生的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加;(2)开关器件关断时电路中的杂散电感产生很大的di/dt，过高的电压尖峰加在开关器件的俩端容易造成开关器件电压击穿:(3)当开关器件在高压下开通时，开关器件结电容通过开关器件放电，产生很大的冲击电流，不仅增加器件的损耗，而且仍可能导致器件的过热损坏;(4)开关器件在开关过程中产生的高频噪声造成传导和辐射干扰。因此硬开关直流变换器的开关频率不可能太高。然而电力变换器的体积和重量和开关频率有着直接的关系。提高开关频率能够使变换器中变压器、电感等磁性元件以及电容的体积和重量都大为减小，从而提高变换器的功率密度。此外，提高开关频率对于降低开关电源的音频噪声和改善动态性能都大有好处。在直流电力变换器中，提高开关频率的基本思路是发展新型的主电路拓扑及壹般是通过有序、受控的谐振造成开关管的零电压或零电流开关环境，且让变换器中全部或部分开关管只在这种环境下进行开通和关断，即“软开关”技术。直流开关电源的软开关技术壹般可分为以下几类:(1)全谐振型变换器，壹般称之为谐振变换器。(2)准谐振变换器和多谐振变换器。(3)零开关PWM变换器。(4)零转换PWM变换器。本文主要内容高能物理研究中的粒子(质子、电子、重离子等)加速器、核磁共振装置、超导电工技术研究以及计量测试等精密应用都对电源的性能和规格提出了新的要求。高度发达的现代化科学技术迫切需要高精度高稳定度的电源.主要内容如下:第壹部分介绍了高稳定度电源基础理论。且从数学的角度，给出了高稳定度电流源的主要性能指标的定义第二部分简述了直流稳流电源的控制结构第三部分设计出方案且进行了实验。第四部分对实验产生的数据进行了分析，得出稳定电源中影响稳定度的主要因素及解决手段2高稳定度稳流电源基础理论2.1稳流电源主要性能指标稳流电源的主要性能指标是电流稳定度，它表明电源在输入交流电压、负载电阻和环境温度变化时，以及在开机运行过程中，使电源输出电流维持给定值的能力。壹般情况下，稳流电源在输入电压Uin、负载电阻RL、环境温度T改变时，输出电流都会改变。另外，开机后电源本身的有关参数也会随着运行时间t改变和漂移，引起电流的漂移，电源输出稳定电流I。可用下式来表示(2.1)由于稳流电源输出电流Is是个多变量的函数，对其变化量△l.分别对各个变量单独变化时所引起的变化量进行计算，然后再综合，而当计算某壹变量时，不考虑其他变量的影响。这样所得到的电流输出量对该变量导数即是如下式所示:(2.2)为了表示稳流电源在上述固素变动影响下的稳定性，通常采用以下指标:I.电流长期稳定度si:表示在规定时间内，输出电流的变化和当时输出电流相之比，即(2.3)8小时、24小时不等，在实践中多用该指标来衡量电源的稳定性。2.稳流系数si:表示在负载电阻和环境温度不变的情况下，输出电流的相对变化量和输入电压相对变化量之比，即其中△Uin/Uin常以10%作为基本单位。3.动态内阻Ro:表示在输入电压和环境温度不变的情况下，输出电压的相对变化量和输出电流相对变化量之比，即:理想稳流源的内阻为无限大。4.温度系数kit;表示在输入电压和负载不变时，电源输出电流的变化量和环境温度的变化量之比。kit=之上三个指标主要用来衡量稳流电源的稳定性。5.电流纹波ri;:电流纹波大小通常用输出电流中交流分量的峰峰值或有效值和当时直流分量的比来表示。ri=(27).直流高稳定度电源的现状及发展趋势随着电子设备向高精度、高稳定性和可靠性方向发展，对设备的能源部件壹电源也相应地提出了更高的要求。在稳定电源里面，鉴于理论和工艺等多方面的差异，通常按稳定度划分为普通稳定电源和高稳定度电源。普通稳定电源是许多电子设备和实验室必须具备的1%～0.1%制的二次电源，它和普通稳定电源的区别在于其输出电压(或电流)少优于100PPM(万分之壹或1X10-4)达0.001PPM(十亿分之壹)。世界各国在要求高质量供电的技术中，仍普遍采用蓄电池供电方式。蓄电池最突又不经济，而且有腐蚀性的液体或气体挥发物损害工作人员的健康和精密的仪器仪表。更主要的在于其容量有限，传输损耗大，放电曲线不理想，大电流使用不稳定。此外，某些运动的负载对象，装载蓄电池显然不太方便，随着科学技术的发展，蓄电池这种传统的供电方式在许多方面已越来越不适应了。二十世纪六十年代以后，有了新的发展。首先是空间技术、控制技术和测量技术的实际需要，随着优质振子的自稳零放大器、光电放大器、电流比较仪等臻把高稳定度电源技术推上了新水平。短短的十几年间，高稳定度电源在许多方面不仅仅能够取代蓄电池，而且在容量和性能上远比蓄电池优越，功能更完善，逐步形成高稳定度电源这壹现代电源技术分支。直流稳流电源的分类按照控制方式不同，高稳定度直流稳流电源仍可分为以下几种:线性电源、相控电源和开关电源。线性电源利用大功率晶体管的放大特性来进行工作，它又分为串联调整稳流和且联调整稳流俩种方式。线性电源的稳流特性好，动态响应快，噪声小，可是在大电流工作时，需要串联和且联较多数量的大功率晶体管，特别是作为低压大电流电源时，因为有调压器预调压，因此效率更低，响应很慢。晶闸管相控电源是利用晶闸管的相控特性来稳流的。晶闸管相控电源输出纹波较大，对电网干扰比较严重，壹般采用多相串联或且联整流工作以减小纹波，开关电源可分为斩波器方式和变换器方式俩种。开关电源利用开关管的开关特胜，通过控制开关管占空比进行工作，工作频率达几十至几百千周，省掉了体积庞大的工频变压器和电抗器，因而电源效率高、体积小，但输出功率较小，且存在电磁兼容问题。可是近十年来，随着新型半导体开关元件的出现，和各种软开关拓扑结构的提出，有效克服了开关电源的固有缺点，提高了开关电源单机输出功率，开关电源迅速普及开来，得到广泛应用。目前在中小功率电源方面，几乎完全取代了线性电源和相控电源。同时采用变换器且联和开关管且联，开关电源的输出功率大幅度提高，在中、大功率领域也逐步占有壹席之地。2.2直流稳流电源控制结构高稳定度直流稳流电源是壹种以半导体元件为功率变换和控制器件的、以稳定输出电流为目的的大功率电力电子设备。在磁铁电源中，其输出功率从几百瓦到几百千瓦，输出电流从几安培到几千安培不等。高稳定度直流稳流电源是由基准、电流采样装置、功率变换器、调节器、滤波器、负载等几部分组成的，采用负反馈闭环调节原理的系统，原理框图如下图所示基准提供参考电压，决定着稳流电源的输出值;电流采样装置对电源实际输;调节器对基准电压和反馈电压的差进行放大;调节器的输出信号作为控制信号去控制稳流执行环节壹功率变换器的动作:滤波器对输出电流进行滤波，然后将符合要求的电流供给负载。对线性电源来说，执行环节;对可控硅相控电源来说是可控硅整流器;对开关电源来说则是开关变换器。(I)基准Uref:又称给定环节，用来提供基准信号，壹般为电压信号，但代表给定电流。基准首先要好，意即基准的稳定度要非常好，因为电源的输出随基准几近相同比例变化。壹般说来基准的稳定度要高于整机输出量稳定度半个量级之上。基准是高稳定度电源的基础，不论是模拟基准仍是数字基准，除应根据要求选择基准外，对其外围元件和工作状态也必须精心选择，确保所选基准工作在最佳状态。(2)采样反馈环节:用以测量电源输出电流，且将其转换成反馈电压信号Uf，以便和基准进行比较。反馈电压信号是否能准确反映输出电流的变化同样决定电源的稳流精度。对电流检测转换元件的要求是高带宽，以便对电流的变化能够快速反应;:时间的稳定性，减小电流检测元件对输出电流的影响:抗干扰能力强。(3);放大校正环节是带有校正环节的放大器，将反馈信号Uf和基准信号Uref进行比较，得到误差信号△U。壹方面放大误差信号AU，得到控制信号△Uk，另壹方面改善电源的动态响应。稳流电源中用的较多的有比例-积分(PI)-积分-微分(PID)电源特性密切相关。(4)执行环节:对线性电源来说，控制信号△Uk送入调整管的基极，控制调整管的集电极电压:对相控电源来说，DUk送入晶闸管的触发电路，控制晶闸管的导通角;对开关电源来说，DUk送入脉宽调制器，控制开关管占空比。(5)其他环节:主要指电源的滤波器和负载，仍包括各种继电保护电路及状态监测电路等。2.3直流稳流电源的稳态误差直流稳流电源的稳态误差可分为俩类:第壹类为静态误差(简称静差)，和电源系统的类型及输入信号有关，包括给定静差和扰动静差，静差能够通过系统的调节来克服;第二种为系统误差，主要由电流采样单元、调节器、基准的温漂、时漂引起的，是电源系统无法克服的误差。稳流电源控制结构可用传递函数表示如下:给定静差传递函数Gc(s)为调节器，壹般采用运算放大器电路Gcn(s)为功率变换器Gld(s)壹般为磁铁线圈，是壹个惯性环节;Hd(s)为电流采样环节，实际上能够见作壹个比例因子。Uref是基准给定U3(S)为调节器误差Us(S)为功率变换器误差U2(S)为电网扰动、负载扰动等综合影响稳定度而调节器又无法克服的误差主要有三项:(1)基准源偏差dUref:(2)采样偏差dHd:当电流采样装置反馈系数变化时，检测出的反馈信号不能真实反映电流而使电源的电流出现误差，从而影响电源的稳定度。(3)调节器引入的偏差dU3:为调节器，且且将集成运算放大器进行理想化处理，而实际工作中，实际的元件性能和理想运算放大器是有差别的，且不满足上述理想化条件，因此对实际集成运算放大器来说存在计算误差.2.4减少系统误差的措施及其实现方法前壹节已经分析了直流稳流电源的稳态误差的主要来源，且给出了提高稳定度的主要方法。本节主要介绍如何实现这些方法，以减少那些影响稳定度而调节器又无法克服的误差。2.4.1基准电压源当基准电压Uref由于某种原因不稳定而量值变化时，将使输出电压或输出电流以同样的相对值变化。因此基准电压的稳定度将是稳压电源和稳流电源稳定度的极限值，再加上其他因素对稳定电源稳定度的影响，壹般电源的稳定度要比基准电压的稳定度要低壹个数量级。因此，若要获得电源较高的稳定度，必须使基准电压的稳定度高于所要求的电源稳定度壹个数量级.基准电压的不稳定，主要是由于基准电压源的温漂、噪声、包括向基准电压源供电的辅助电源的电压波动及纹波等影响所造成的。因此对于基准源主要的要求就是温漂低、噪声小。基准壹般有标准电池、稳压二级管等。标准电池稳定度非常好且无噪声，但电压比较低，只有1V左右，输出功率较小，调节不方便，存在使用寿命问题;稳压二级管等由半导体元件组成，由于硅管和锗管相比稳定性较好，所以稳压管几乎都用硅管。它的基准电压高，调节方便，使用寿命长，得到了广泛的应用，但半导体元件易受干扰、有噪声、受温度影响比较大。随着集成电路技术的不断进步，模拟集成电路制造商推出了许多种类的高精度集成基准电源。为了实现高精度，通常都利用硅半导体材料本身固有的特征电压作为基准电压(比如齐纳二极管反向击穿电压或者基射结电压Vgg)。但由于硅半导体对温度敏感(具有壹定的温度系数)，所以为了解决温度漂移问题，通常选择壹种和基准电压的温度系数极性相反但绝对值相近的器件或电路(例如△Vgg)，使俩者结合起来，相互温度补偿，使总体温度系数趋近于零。数字基准是近几年来新发展起来的，它利用程序来调节输出电压的高低，然后将调节好的数字信号通过D/AC变成模拟电压信号供电源使用.数字基准的优点是精度高而且调节非常方便，且能够得到任意波形的基准信号。数字基准的主要问题是存在量化误差，即受位数限制，不可能得到完全光滑的模拟信号，另外，数/模转换过程中存在转换时间的问题。随着集成电路技术的不断进步，高分辨率、高稳定性、高速AC/DC和DC/AC的芯片不断涌现，数字基准的性能越来越优越，其优势也越来越明显。基准是高稳定度电源的基础，不论是模拟基准仍是数字基准，除应根据要求选择基准外，对其外围元件和工作状态也必须精心选择，确保所选基准工作在最佳状态。2.4.2采样环节跟基准电压源壹样，采样环节也会直接影响电源的稳定度。所以，在选用电流采样装置时，要用漂移小、稳定性好的电流传感器。这对于高稳定度电源来说尤为重要高精度电流检测元件壹般有分流器和直流电流传感器俩种。分流器实际上是壹个毫欧级的电阻，由锰铜合金等受温度影响非常小的材料制成，电阻温度系数可达到lppm/0C。为减小采样环节对稳定度的影响，可加大采样电阻的值，以提高电流的采样信号电压，提高信噪比，相应地也要提高基准电压;这样采样电阻上所消耗的功率也大，大功率应用时需要冷却，常用的冷却方式为油浸水冷;也能够对采样电阻进行温度补偿。在CEBAF的电子回旋加速器中采用的电流采样装15ppm/0C1311功率损耗大。直流电流传感器(DCCT)克服了分流器的不足，采取非接触式测量电流，体积小、输出电压高、功耗小。根据工作原理可分为俩种，壹种采用霍尔效应原理，这种传感器由于利用霍尔效应，因此受温度影响比较大，精度在1%另外壹种采用零磁通原理，这种电流传感器对温度、对时间的稳定性非常好，分别为lppm/0C,0.lppm/month，带宽在100KHz，广泛应用在高稳定度电源中。2.4.2运算放大器选择在稳定电源中，运算放大器常被用作比较放大器或误差放大器，处于稳定电源的调节系统的最前级，因此，运算放大器除了本身增益高外，它对处于调节系统末端的功率变换电路的影响，仍必须乘上运算放大器后各级所有的放大倍数。在运算放大器的输入端，任何微弱的干扰信号，均有可能得到放大，从而对电源产生影响。因此，运算放大器的好坏，对稳定电源能否具有优良的调节性能关系重大。传统的高精度高稳定度电流源大多是线性电源，体积小效率低。高频PWM电源具有高效节能、体积小重量轻、噪声低等优点，是电力电子的发展方向。本节将详细介绍主电路工作原理和主要元器件的设计方法，且对主电路进行仿真分析以验证设计方法和所选参数的正确性。数字控制方案的优势和不足随着微电子技术、计算机技术的发展，以及数字控制理论的成熟和发展，数字控制系统的优势日益明显。近年来，数字控制技术在电力电子领域获得了广泛的应用，采用以微机为基础的数字控制替代模拟控制已成为现代电力电子电路控制的重要发展趋势。相对模拟控制系统，数字控制系统壹般具有下列优势(1)系统紧凑，通用性强，可壹机多用，性能价格比高。(2)控制规律灵活，且可在线修改控制算法或参数。。(3)能够实现许多先进、复杂的控制算法，可从根本上提高系统的性能指标。(4)抗干扰能力强，能够获得较高的稳定性和控制精度。壹般来说，元器件的精度很难达到10-5，而数字调节器的运算精度则很容易达到这个数量级。(5)便于实现控制、管理和通信的结合，可提高分布式系统的自动化程度和可靠性。采用更高速的DSP，能够适当提高变换器的开关频率，但若仍采用现有的控制方100kHZ之上或是控制更为复杂的高频开关功率变换器的要求，仍将是十分团难的。高精度高稳定度电流源实现数字化的主要难点至少包括:(1)变换器开关动作对采样的严重干扰。(2)检测的量化误差导致控制精度显著下降。(3)高速运行下数字化脉宽调制(PWM)时间分辨率的急剧下降。(4)开关功率变换器数字化控制的数学模型了解不深入。数控恒流源系统设计图壹：直流稳压电源的基本原理图设计的数控直流电源和传统稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示．原理方框组成见图l7“+”“壹”俩键操作，控制可逆计数器分别作加、减计数，可逆计数器的二进制数字输出分D，AD／A转换器将数字量按比例转换成模拟电压．然后经过射极跟随器控制调整输出级输出所需的稳定电压。图l中A／D变换器所采集的是输出电压、电流的值，这些数据可用来实现过流保护和输出显示。可是在本设计方案中没有去实现该功能，而是通过万用表和交流毫伏表在外设处直接测量，这样既实现模数转换功能又为电路负载处测量提供了方便，而且电路间干扰相应减少。图l系统框图电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要功能，实现难度也不大，可用非常简单的几个模拟器件完成，但其高精度、稳定度及纹波的控制却是完成整个功能的重点。由于对电流稳定度要求太高，很小的干扰就会影响测试结果，所以必然会加大调试工作量进而找到最佳状态。数字控制部分利用高精度的A／D和D／A来实现数字部分和模拟部分的接口。可用D／A转换电路来控制步进大小。可是由于本设计要求高达2A的电流输出，用于A／D采样的标准电阻会有明显的温度变化，而引起阻值变化，造成电流误2ALM350散热片。单片机控制D／A芯片产生基准电压，且和电流源反馈回路中的采样电阻上产生的电压进行比较，因为采样电阻是标准的高精度电阻(康铜丝绕制)以其上的电压只跟回路中电流有关系，达到输出恒定电流的目的，通过运算放大器进行开环放大后控制三极管的基极，产生恒定的电流输出。显示部分采用高精度AID芯片采样标准电阻上的电压值，且根据I=U/R来计算显示电流值。电流源恒定电流的产生是