簡介

電源等閉環(huán)系統(tǒng)采用具有控制邏輯的反饋環(huán)路。控制算法可以使用模擬或數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)。模擬控制環(huán)路使用固定的電路硬件，因此能夠優(yōu)化特定負(fù)載的控制反饋。相比之下，數(shù)字控制環(huán)路可以針對各種負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化。此外，由于數(shù)字控制環(huán)路不容易受到無源元件容差的影響，因此數(shù)字控制環(huán)路可提供更高的精度。

本文討論了一種低延遲控制電路，該電路使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制環(huán)路。文中分別討論了針對電流和電壓測量進(jìn)行優(yōu)化的反饋電路。

數(shù)字控制環(huán)路

數(shù)字控制環(huán)路通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行感應(yīng)，利用處理器或 FPGA 進(jìn)行控制，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室儀器（例如電源、源測量單元和電子負(fù)載）的輸出。儀器中數(shù)字控制環(huán)路的主要目標(biāo)是，在負(fù)載條件或輸入電壓發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定的輸出電壓或電流。可以根據(jù)負(fù)載調(diào)整控制算法，盡可能縮短儀器輸出的穩(wěn)定時(shí)間。

儀器中的典型數(shù)字控制環(huán)路包括以下元件，如圖 1 中所示：

1.測量單元：該元件測量儀器的輸出電壓和/或電流，并將測量值轉(zhuǎn)換為可由控制器處理的數(shù)字信號。

2.控制器：控制器接收儀器輸出的數(shù)字測量結(jié)果，并計(jì)算誤差信號，即測得的輸出與參考信號之間的差異。然后，由控制算法對誤差信號進(jìn)行處理，以便確定需要應(yīng)用于儀器的控制輸入。

3.控制算法：該元件處理錯誤信號，以便確定應(yīng)用于儀器的控制輸入。該控制算法可以基于簡單的比例積分微分(PID) 控制器，或更復(fù)雜的控制算法（如線性或非線性控制器）。

4.數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)：DAC 負(fù)責(zé)將數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為可應(yīng)用于儀器的模擬信號。

圖 1. 數(shù)字控制環(huán)路方框圖

數(shù)字控制環(huán)路的穩(wěn)定時(shí)間或響應(yīng)時(shí)間取決于控制算法調(diào)整 DAC 輸入來補(bǔ)償輸出電壓變化的速度。

調(diào)整 DAC 輸出電壓的總延遲包括以下幾部分：

1. 測量單元測量輸出信號所需的時(shí)間

2. 控制算法為 DAC 生成新設(shè)置所需的時(shí)間

3. DAC 輸出穩(wěn)定至所需精度所需的時(shí)間

為了盡可能減少輸入信號與控制環(huán)路響應(yīng)之間的延遲，測量路徑中需要一個用于測量電流和電壓的低延遲信號鏈。

測量單元信號鏈的主要規(guī)格如下：

1.直流精度：由于測量信號用于調(diào)節(jié) DAC 輸出信號，因此精確的測量單元可提高系統(tǒng)精度。

2.寬模擬帶寬：這使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)輸入信號中的瞬變和負(fù)載變化。

電流反饋信號鏈

如圖 2 所示，電流反饋路徑由一個精密分流電阻器、一個電流檢測或儀表放大器以及一個低延遲精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。

圖 2. 電流反饋電路

示例電路使用了INA851 和 ADS9219。INA851 是一款具有全差分輸出的低噪聲、高速儀表放大器。圖 3 和圖 4分別顯示了該電路在過采樣率 (OSR) 為 1 和 16 時(shí)的直流直方圖和階躍穩(wěn)定圖。

圖 3. 電流反饋電路直流直方圖

圖 4. OSR = 1 和 OSR = 16 時(shí)的電流反饋電路階躍穩(wěn)定

表 1. 電流反饋電路直流直方圖結(jié)果

電壓反饋信號鏈

如圖 5 所示，電壓反饋路徑由一個可編程增益放大器 (PGA) 和一個低延遲精密 ADC 組成。

圖 5. 電壓反饋電路

示例電路使用了PGA855 和 ADS9219。PGA855 是一款具有全差分輸出的低噪聲、高帶寬、精可編程增益儀表放大器。此電路的直流直方圖和階躍穩(wěn)定圖分別如圖 6 和圖 7 所示。

圖 6. 電壓反饋電路直流直方圖

圖 7. 電壓反饋電路階躍穩(wěn)定

表 2. 電壓反饋電路直流直方圖結(jié)果

精密高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在圖 2 和圖 5 所示的兩個電路中，ADS9219 用于準(zhǔn)確快速地測量系統(tǒng)輸出信號。通過將測得的模擬信號高速轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，ADC 有助于盡可能減少輸入信號與控制器響應(yīng)之間的延遲。低延遲 ADC 讓系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地響應(yīng)輸入信號的變化，從而有助于提高控制環(huán)路的性能。

ADS9219 是一款基于逐次逼近寄存器 (SAR) 架構(gòu)的 18 位 20MSPS ADC，可將模擬信號轉(zhuǎn)換為以 50ns 為單位的數(shù)字值。控制器必須從 ADC 讀取數(shù)值，此通信會增加 50ns 的時(shí)間。因此，控制器可以在 100ns 的總時(shí)間內(nèi)從基于 ADS9219 的測量單元獲取一個數(shù)字值。

ADC 的精度會影響儀器輸出的精度。測量精度取決于測量單元中誤差的熱漂移和工作溫度范圍。測量中的偏移和增益誤差可在儀器加電后使用校準(zhǔn)電路進(jìn)行校準(zhǔn)，以便提高精度。ADS9219 的 18 位分辨率可實(shí)現(xiàn)高精度測量，如表 3 中所示。

表 3. ADS9219 的測量精度

結(jié)語

數(shù)字控制環(huán)路針對各種不同的負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化，與模擬控制環(huán)路相比，可實(shí)現(xiàn)更高精度的系統(tǒng)。為了啟用數(shù)字控制環(huán)路，測量路徑中需要高精度、高帶寬信號鏈。INA851 和 PGA855是全差分儀表放大器，可與 ADS9219 配合使用來在數(shù)字控制環(huán)路中實(shí)現(xiàn)高帶寬、高精度信號鏈。