簡介

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

本文討論了一種低延遲控制電路,該電路使用模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 來實現數字控制環路。文中分別討論了針對電流和電壓測量進行優化的反饋電路。

數字控制環路

數字控制環路通過模數轉換器 (ADC) 進行感應,利用處理器或 FPGA 進行控制,并通過數模轉換器 (DAC) 來調節實驗室儀器(例如電源、源測量單元和電子負載)的輸出。儀器中數字控制環路的主要目標是,在負載條件或輸入電壓發生變化時保持穩定的輸出電壓或電流。可以根據負載調整控制算法,盡可能縮短儀器輸出的穩定時間。

儀器中的典型數字控制環路包括以下元件,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,并將測量值轉換為可由控制器處理的數字信號。

2. 控制器:控制器接收儀器輸出的數字測量結果,并計算誤差信號,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行處理,以便確定需要應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,或更復雜的控制算法(如線性或非線性控制器)。

4. 數模轉換器 (DAC):DAC 負責將數字控制信號轉換為可應用于儀器的模擬信號。

圖 1. 數字控制環路方框圖

數字控制環路的穩定時間或響應時間取決于控制算法調整 DAC 輸入來補償輸出電壓變化的速度。

調整 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間

2. 控制算法為 DAC 生成新設置所需的時間

3. DAC 輸出穩定至所需精度所需的時間

為了盡可能減少輸入信號與控制環路響應之間的延遲,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格如下:

1. 直流精度:由于測量信號用于調節 DAC 輸出信號,因此精確的測量單元可提高系統精度。

2. 寬模擬帶寬:這使系統能夠快速響應輸入信號中的瞬變和負載變化。

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轉換器組成。

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 時的直流直方圖和階躍穩定圖。

圖 3. 電流反饋電路直流直方圖

圖 4. OSR = 1 和 OSR = 16 時的電流反饋電路階躍穩定

表 1. 電流反饋電路直流直方圖結果

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定

表 2. 電壓反饋電路直流直方圖結果

精密高速模數轉換器

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

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

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電路進行校準,以便提高精度。ADS9219 的 18 位分辨率可實現高精度測量,如表 3 中所示。

表 3. ADS9219 的測量精度

結語

數字控制環路針對各種不同的負載進行了優化,與模擬控制環路相比,可實現更高精度的系統。為了啟用數字控制環路,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 配合使用來在數字控制環路中實現高帶寬、高精度信號鏈。