关于PWM标准电压源的设计原理

PWM标准电压源的粗略解决方案

PWM源开发的简要历史

PWM是英语中脉冲宽度调制的首字母缩写. 它被广泛用于开关电源，并且为每个人所熟悉. 据估计，PWM技术在标准电压源中的应用还不太清楚. 实际上，原理是相同的，但是为了实现高稳定性和高分辨率，电路的复杂性并不寻常. 有带有硬件电路的复杂软件. 早期它还具有由数字逻辑IC实现的软件功能. 目前，几乎所有主流的校正源都使用PWM技术来生成任意值的电压.

早在1960年代，日本武田就推出了用于PWM技术的TR6120校正源. 这是第一个商业PWM校正源. 当时，它被称为时分计数的电压源. 不同. 1970年代初，FLUKE在其交流校正源5200A中使用了此技术. 在其后续产品中，5100系列校正源，5440系列校正源以及现在的主流5700和5500系列都使用此技术. 尤其是5440B，该技术的使用达到了顶峰，其出色的索引性能迄今已不迟. 除了FLUKE系列产品以外，世界上另一主要标准源供应商DATRON（WAVETEK）现在也隶属于FLUKE. 它还推出了各种PWM标准源. 早期的4000系列，后来的4700和4800系列也不例外. 使用PWM技术. 并在固定电压标准源中创造性地使用了PWM技术，开发了4910系列标准源，至今仍是年度稳定性指标的记录保持者.

PWM电压源原理

做过PWM斩波开关电源的朋友都知道其输出电压的计算公式为:

V [sub] O [/ sub] = V [sub] I [/ sub]×（T [sub] ON [/ sub] / T）

这里的输入电压为V [sub] I [/ sub]，T为PWM波的周期，T [sub] ON [/ sub]为PWM波高电平或低电平的持续时间，T [sub] ] ON [/ sub] / T也称为占空比.

我希望在开关电源中V [sub] O [/ sub]不会改变，但是V [sub] I [/ sub]会改变，因此通过采样电路将T [sub]改变为ON [/ sub]. 保持其乘积V [sub] O [/ sub]不变.

PWM标准电压源的原理几乎相同，只是输入V [sub] I [/ sub]被高度稳定的参考电压V [sub] REF [/ sub]代替，因为电流技术已经可以保证时间的稳定性比电压高几个数量级，因此公式中的T也是一个常数. 只要T [sub] ON [/ sub]的宽度不同，就可以输出不同的电压V [sub] O [/ sub]，其稳定性几乎与参考电压V [sub] REF [/子].

PWM高分辨率电压源的实现

高分辨率源必须具有至少6.5位的分辨率，因此对于10V的满量程输出基准电压源原理，最低分辨率为10uV，而步进系统为10uV. 如果使用的参考电压也为10V，则输出为10 uV，可以根据上式计算得出

10000000/10 = T [sub] ON [/ sub] / T = 1000000

要求T [ON] / T的比率值是1000000，并且在电路中选择适当的T是原则. 由于PWM波的DC分量通过低通滤波器进行了平滑处理，因此该滤波器的设计应易于实现，因此该T不能太小，即频率不能太低，否则低通过滤波器的体积将很大，极低频滤波效果极差，输出电压低频噪声很大，这是标准来源的禁忌. 如果选择T低于8mS（频率高于125Hz），则滤波器设计相对容易实现. 通过8mS计算，我们可以得到T [sub] ON [/ sub] = 8E-6 mS基准电压源原理，这是8nS的脉冲宽度，这是一个非常窄的脉冲. 目前，产生这样的窄脉冲并将其传递到开关. 设备非常困难，即使要实现它们，也不经济. 上述产品如何实施？这就是所谓的双向PWM合成技术. 原理如下，

V [sub] O [/ sub] = V [sub] REF [/ sub]×﹛T [sub] ON1 [/ sub] / T +（T [sub] ON2 [/ sub] / T）/ RR﹜

使用两个开关电路，然后添加运算放大器以合成所需的电压. 也就是说，所需的输出电压由两个通道合成，第一个通道负责将V解析为mV电平，第二个通道负责将mV解析为uV电平，甚至是nV电平. 在确保T的同时，巧妙地解决了T [sub] ON [/ sub]极窄的问题. 我们来看一下FLUKE5440B这些参数的实际值. 5440B的PWM周期为83Hz，则T为1/83，约为12.048 mS，每个通道的满量程计数值为24096，则相应的最小T] ON [/ sub]为500nS，该值很容易用较少的特殊设备来实现. 让我们再次看看分辨率. 5440B使用的参考电压V [REF]为13.25V，第一个PWM的最小分辨率为13.25V / 24096，即0.5498mV. 在5440B硬件电路设计中，RR的设计值（稍后说明）为7200，然后查看第二个PWM的最小分辨率（13.25V / 24096）/ 7200，即76.37nV，该分辨率足够高完全符合7.5位分辨率.

在数字运算电路中，通常使用脉冲计数. 如果一个周期T中的计数数量对应于N，则分别对应于T [sub] ON1 [/ sub]和T [sub] ON2 [/ sub]的计数分别为N [sub] 1 [/ sub]和N [sub] 2 [/ sub] [sub]，[/ sub]，则上式组织为

V [sub] O [/ sub] = V [sub] REF [/ sub] / N（N [sub] 1 [/ sub] + N [sub] 2 [/ sub] / RR）[sub] [/ sub]

N——时分计数器的总和，N [sub] 1 [/ sub]是1通道相应输入电压的计数值，N [sub] 2 [/ sub]是相应的输入2通道电压计数值

RR——1和2通道的衰减比，也称为分辨率比

在实际电路中，运算放大器合成后，也会出现失调电压，并且在不同的电路中可能会有增益. 所以实际应用的数学表达式是这样的，

V [sub] O [/ sub] = K×V [sub] REF [/ sub] / N（N [sub] 1 [/ sub] + N [sub] 2 [/ sub] / RR）- V [sub]操作系统[/ sub]

K——是反向滤波器和缓冲器的增益. 对于基本范围，没有放大或衰减，为1

V [sub] OS [/ sub]-对于滤波器和缓冲器的偏移电压，为了能够通过软件进行校正，人为地引入了固定的小反向电压之和

根据我手中的信息，我计算了一些源值. FLUKE5440B中的RR值为7200（满量程计数N = 24096），FLUKE5700A设计用于16250（满量程计数N = 42105），国产YJ93为16024（满量程计数N = 16384），FLUKE中的值为2200 5500A（满量程计数值8192）.

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