精密仪表用隔离电源系统设计

　　1　引言

　　在电池供电的10×10-6及更高精度数字多用表等测量仪表中,采用高精度的A/D转换器、运算放大电路、电压基准等电路,这些电路的精度必须有理想的电源系统来保障。同时,仪表系统中往往需要多组电源,如运算放大器在双极性输入时需要正负对称的电源;模拟电路需要隔离数字电路电源以防止受干扰。而在电池供电系统中,不宜采用多个电池组。这种多电源要求的有效解决方案是利用DC/DC变换器从一组镍氢或锂电池来实现。市场上有各种脉冲宽度调制、脉冲频率调制或电荷泵式电源变换电路,但这些电路存在电源污染、纹波相对较高、纹波频率不稳定、高EMI等问题,很难适合于高精度测量系统的低纹波多输出及隔离的要求。因此,根据需要,设计了利用晶振来稳定开关频率、不污染输入电源的、利用变压器隔离的DC/DC变换器。

　　2　电池保护电路

　　充电电池在过放电时易损坏,因此需避免欠电时继续工作而造成过放电。采用MAX8212[1]电源监测电路,其静态电流典型值为5μA,甚至小于电池自放电电流,使电池在欠电时维持多年而不损坏。从图1看出,电池电压V+较低而欠电时,THRESH端的分压小于同相端1.15 V基准电压,运放输出高电平,经反向后的低电平使其N沟道场效应管截止,由图2中的上拉电阻R4拉至高电平输出,使外接的P沟道功率场效应管断开而切断电源。此时,运放输出的高电平使HYST端的P沟道场效应管断开而不影响电阻R3。反之,当电池电压V+较高时,使外接功率场效应管导通而接通电源,此时HYST端的P沟道场效应管导通而短路电阻R3.这样,HYST端用于调节电压迟滞,以避免电源在临界电压点上频繁开关机。

　　电源正常时电阻R3被短路,即分压由R1、R2实现,电源的断开电压VL较低。设R1已知,由门限电压VTH=VLR1/(R1+R2)得:

　　现取VU=9.2V,VL=8.5V,R1=1MΩ,则R2=6.4MΩ,R3=0.61MΩ.利用上述电路参数,可保证电池电压降至8.5V时才断开电源,大于9.2V时才启动电源,避免了电源的频繁通断。

　　3　低纹波隔离电源的设计

　　利用集成电路如性能理想的ADP1111来实现电源的DC/DC升压与反向的典型升压电路如图3所示,其电路简洁。但这些器件对供电电源造成严重污染,且输出电压纹波过大,即使在输出端并联低ESR的钽电容滤波,也难于把纹波电压减小到可接受的程度。这些变换电路的开关频率及占空比随负载等而变化,并且处在普通线性稳压器的电源纹波抑制比较差的频段范围内,给滤波带来难度。

　　MAXIM公司的MAX845集成隔离电源,最高达1MHz以上的开关频率减小了变压器的体积[3]。可以利用此专用集成电路来设计隔离电源[4]。但输入电压范围固定为5V,输出功率较低,开关频率随输入电源变化大,也不能满足设计的要求。在高精度仪表中,为防止干扰等需要采取隔离措施。如通讯电路部分需要与可能接地的通讯设备互连,而模拟电路部分必须通过隔离来实现浮地。