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电源管理器件精确测量中差分放大电路的应用

2020-06-09 17:20电源管理 人已围观

简介在电子设备系统中电源管理器件承担着电能转换、分配、检测与管理功能,其性能水平与应用范围将直接影响到整机的使用性能。利用差分放大电路屏蔽电源管理器件的输出电压,同时...

  在电子设备系统中电源管理器件承担着电能转换、分配、检测与管理功能,其性能水平与应用范围将直接影响到整机的使用性能。利用差分放大电路屏蔽电源管理器件的输出电压,同时放大电压调整率、负载调整率的微小电压变化数值,可有效提升测量数据的准确性、减少辅助电路的使用,实现精确测量目标。
  电源管理电路实物示意图

  1电源管理器件的性能指标选取与测试原理分析

  
  1.1性能指标选取
  
  电源管理器件在电子设备系统中对于电能变换、分配、检测与管理发挥了重要的功能,当前主要采用电压调整率、负载调整率、输出功率、输出精度、输出波纹等指标进行电源管理器件性能的测试评价,下面选取以下两项重要性能指标进行简要介绍:
  
  (1)电压调整率:电压调整率是指以输入侧电压为基准,当其电压数值由允许输出的最低值上升至规定的最大值时,计算出输出电压相对变化值在额定电压中所占的百分比,即可获取到电压调整率的具体数值。通常当输入侧电压的取值在其允许范围内时, 其输出电压为固定值,借此可实现对表征电源管理器件稳压性能的有效评价,且电压调整率的数值不应超过0.1%。设Vo1、Vo2分别为两个不同输入电压下电源管理器件的输出电压数值,Vo为额定输出电压数值,则电压调整率的计算公式为:
  
  公式1
  
  (2)负载调整率:负载调整率是指在输入电压为固定值不变的前提下,负载数值从零上升至额定数值时,输出电压的变化情况。通常在电源管理器件中,电源负载与电源输出呈同步变化趋势,当电源负载数值增加时,电源输出数值将下降;当电源负载数值减少时,电源输出数值将上升,且负载调整率数值一般不超过1%。设Vo1、Vo2分别为两个不同输出负载下电源管理器件的电源输出值,Vo为额定电源输出值,则负载调整率的计算公式为:
    公式2
  1.2电源管理器件的常规测试方案
  
  以往在针对电源管理器件进行性能测试时,需将程控电压源、被测器件(DTU)、高精度电压表与程控电子负载相连,为DTU提供输入电压,满足电源管理器件的测量需求。以LM7815 电源管理器件为测试对象,针对其负载调整率进行测试,其典型输出电压为15V。在测试过程中,采用程控电压源对被测器件的输入端施加电压值,使电子负载的电流值发生变化,并采用高精度电压表针对负载变化情况下的输出电压数值变化情况进行测试。
  
  具体来说,先向被测器件的输出端施加负载电流I1=250mA,利用高精度电压表测量输出端电压,测得Vo1=15.004V;再向被测器件输出端施加负载电流I2=750mA,利用高精度电压表测量输出端电压,测得Vo2=15V。将上述测量结果代入到负载调整率计算公式中,得出典型负载调整率数值为4mV,以此为基准将电压表量程设为20V。在电压表量程为20V情况下,倘若电压表精度为0.1%,其准确度为20mV,无法准确测量出被测器件4mV的电压变化情况;倘若电压表精度为0.01%,其准确度为2mV,仍无法实现对 被测器件电压变化情况的准确测量。由于电源管理器件的输出电压误差数值较小,电压调整率、负载调整率的电压差数值往往以毫伏、微伏为单位,需通过提高电压表精度实现测量精度的提升,而常规万用表无法满足其测量精度要求,倘若改用高精度测量仪器将额外增加测量成本,因此对于电源管理器件测量技术的优化提出了迫切需求。
  

  2差分放大电路方案在电源管理器件精确测量中的具体应用探讨

  
  2.1差分放大电路方案设计
  
  在常规测试方案中,由于被测器件的微弱信号将叠加在直流信号上, 易增大测量误差,因此对于测量仪表的精度提出了较高要求,为实现测量精度提升与节约成本目标的兼顾,可将差分放大电路原理应用于测量方案设计中,利用差分测量屏蔽被测器件的额定输出电压,并放大两次测量中产生的电压差。在差分放大电路的具体设计上,由于其测量的主要对象为微小电压变化,因此宜选取失调电压较小的放大器,如OP77或OP07等,利用运算放 大器搭建差分放大电路。以被测器件输出电压Vo作为放大器输入端,将施加的基准电压数值设为Vr,利用该差分放大电路抵消被测器件的输出电压,并利用R3、R4两个电阻放大被测器件两侧的输出电压误差,依据电阻阻值大小进行放大倍数的调节。基于运算放大器的虚短虚断特性进行差分放大器输出电压的计算,其计算公式为:
  
  公式3
  
  在实际测量中,将电阻R1、R2、R3、R4阻值分别取值为40KΩ、100KΩ、5KΩ、800KΩ,将上述数值代入到公式中,可得出差分放大器输出电压的计算公式为:
  
  公式4
  
  由于Vr为施加的基准电压,因此可将其等同于差分放大器的输出电压,将两次施加负载电流的数值代入到公式中,即可完成对差分放大器输出电压数值的测量。在Vo1=15V时,Vm=0V;在Vo2=15.004V时, Vm=0.184V,差分电路将4mV电压放大了46倍。以上述数据为基准进行电压表量程的设置,应将电压表量程取值为1V,此时倘若电压表的精度为0.1%,其准确度即为1mV,可有效实现对被测器件微弱信号的放大处理与精确测量,将两次待测电压差放大至46倍,降低对电压表的精度要求,促使测试结果的精度得到显著提升。
  
  2.2测试结果分析
  
  为验证差分放大电路方案在电源管理器件精确测量中的具体应用效果,可在额定输出电压为15V的条件下,分别选取常规测试方案、差分放大电路方案对LM7815电源管理器件进行测试,将其测量仪表精度分别设为0.01%和0.1%,并收集两组测试结果进行对比。通过观察测试数据可以发现,常规测试方案测得的∆Vo数据处于1-5.95mV范围内,差分放大电路方案测得的∆Vo数据处于3.51-4.38mV范围内,从中可以看出差分放大电路方案的测试数据结果更接近于理论值,并且该方案对于测量仪表的精度要求要远低于常规测试方案,可有效提高测试精确度、降低测试成本。
  
  2.3应用实例分析
  
  以某数字电源管理芯片Z L 21 0 5 的性能测试为例,该ZL2105新型数字DC/DC转换器电源管理芯片将数字电源管理功能、可配置性、高效率特性集成至单个器件中,适用于低功耗应用状态,器件的尺寸与元件数较少,用户在将多个数字直流器件整合在PCB上后即可实现对器件的灵活配置,使电源设计得到明显简化,且无需编程,具有良好的应用价值。该芯片在使用性能上的突出优势主要体现在以下五方面:其一是电源管理功能较强,单封装器件可满足多种系统的运行要求;其二是全数字电源转换效率高达91%以上,具备多种电压输出,可实现对系统的自动排序与跟踪控制;其三是无需编程,可提供数字软启动/终止、电压跟踪、输出电压/电流监控等功能;其四是符合PMBus标准,与其他数字直流器件具有良好的兼容性; 其五是内部集成功率MOSFET开关,输入电压、输出电压范围分别为4.5-14V、0.6-5.5V,开关频率高达2M,输出电压精度为±1%。
  
  利用差分放大电路方案针对该ZL2105芯片的电流、输出电压进行测试,首先在零电压电源输入情况下进行漏电流测试,模拟在芯片实际使用过程中将电池放置在充电器中,检测在充电器未连接电源的情况下电池是否会产生漏电问题。具体来说,需将管脚进行接地处理,将电源管脚的滤波电容断开, 在电源输入管脚上施加0V电压测量电流,在稳压源输出管脚上施加4.2V测量电流。其次在待机状态下进行漏电流测试,模拟将芯片放置在充电器中,检测充电器在连接电源的情况下电池是否发生漏电。具体来说,需将电源管脚的滤波电容断开,在电源输入管脚上施加4.6V电压,将测试向量输入后令芯片进入到待机测试状态下,并分别在电源输入管脚上施加2.4V、4.6V 电压测量电流,在稳压源输出管脚上施加0V、2.5V电压测量电流。最后针对输出电压进行测试,稳压源的输出电压将直接决定电池在充电过程中施加在电池端电压的稳定性,应确保在不同电流负载下使电源的输出精度符合设计值。具体来说,需在稳压源输出管脚上施加4.6V电压,输入测试向量使芯片进入恒压充电状态,观察其输出电压的变化情况。
  
  最终测试结果表明,该芯片的实际输出电压为3.3.2V/3A, 输出波纹为23mV,电源输出电压上升时间为10ms,测试结果与该芯片性能要求相符。总体来看,输出功率、输出精度、负载调整率、电压调整率、输出波纹等技术指标均会影响到电源管理器件的使用性能,采用差分放大电路可使测量结果更接近真实值, 且数据离散性较好,对于测量仪表的精度要求显著低于常规测试方案,在电源管理器件性能测试中具备良好的使用价值。

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