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PWM标准电压源粗解 PWM源发展简史
PWM是英文脉冲宽度调制的词头缩写，在开关电源中广泛应用，为大家所熟悉。PWM技术在标准电压源中的应用，估计大家就了解不多了，其实原理一样，但是为了做到高稳高分辨率，电路复杂程度就不是一般的了，有复杂的软件配合硬件电路，早期的也有用数字逻辑IC实现的软件功能。目前主流的多功能校正源几乎无一例外都使用的是PWM技术产生任意值电压。
早在60年代，日本武田就推出了PWM技术的TR6120校正源，这是第一款商品化的PWM校正源，当时叫做时间分割计数的电压源，与传统的电阻分割校正源原理完全不一样。70年代早期，FLUKE在其交流校正源5200A中，使用了这种技术。并在其后期的产品中5100系列校正源，5440系列校正源，现在主流的5700和5500系列中都用沿用这种技术。特别是5440B，把这种技术的沿用发挥到了登峰造极的地步，其优异的指标性能，至今无后来者。除了FLUKE家族，以前世界的另一大标准源供应商DATRON(WAVETEK),现在也归FLUKE旗下了，也推出了全系列的PWM标准源，早期的4000系列，后来的4700和4800系列无一例外地用PWM技术。并创造性地把PWM技术用于固定电压标准源中，开发了4910系列标准源，至今仍然是年稳指标的记录保持者。PWM电压源的原理
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)
式中为V[sub]I[/sub]输入电压，T为PWM波的周期，T[sub]ON[/sub]为PWM波高或者低电平的持续时间，T[sub]ON[/sub]/T也叫做占空比。
在开关电源中希望V[sub]O[/sub]不变，但是V[sub]I[/sub]会变，因此通过采样回路，改变T[sub]ON[/sub]就可以保持它们的乘积V[sub]O[/sub]不变。
在PWM标准电压源中的原理几乎一样，只是输入的V[sub]I[/sub]用高度稳定的基准电压V[sub]REF[/sub]代替了，由于目前的技术已经可以把时间的稳定度做到比电压高几个数量级，因此认为式中的T也是一个恒定的不变量，只要有不同宽度的T[sub]ON[/sub]，那么就可以输出来不同的电压V[sub]O[/sub]，稳定度与基准电压V[sub]REF[/sub]几乎无差别。PWM高分辨电压源的实现方式
高分辨源至少要做到6.5位以上的分辨率，那么对于一个满度输出10V的电压，最低的分辨率是10uV，步进制也是10uV.如果使用的参考电压也是10V，那么输出10 uV时，由上面的公式可以计算出10000000/10= T[sub]ON[/sub]/T=1000000
就是要求T[sub]ON[/sub]/T的比例值为1000000，在电路中如何选取合适的T是有原则。由于PWM波的直流分量是通过低通滤波器平滑滤波所得，所以这个滤波器要设计得容易实现，那么这个T就不能太小，也就是说频率不能过于低了，否则这低通滤波器的体积将庞大无比，并且过低的频率滤波效果极其差，输出电压低频噪音大，这是标准源的大忌。如果T选到8mS以下（频率高于125Hz），滤波器的设计就比较容易实现。按8mS计算，我们可以得到T[sub]ON[/sub]= 8E-6 mS,也就是8nS的脉冲宽度，是一个非常窄的脉冲，目前要做到这样的窄脉冲的生成，传递到开关器件，都是非常困难的，即使要实现也不经济。那上述的产品是如何实现的呢，这就是所谓的两路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﹜
使用了两路开关电路，然后通过运放做加法运算合成得到所要的电压。也就是说，要求的输出电压通过2路合成的，第一路负责V到mV级的分辨率，第二路负责mV到uV级,甚至nV级的分辨率。在保证T的同时，巧妙解决极窄T[sub]ON[/sub]的问题。我们以FLUKE5440B来看看这几个参数的实际值，5440B的PWM周期是83Hz，那么T为1/83，约为12.048 mS，每一路的满度计数值是24096，那么对应的最小T[sub]ON[/sub]是500nS，这个值用不太特殊的器件都容易实现。再来看看分辨率，5440B使用的基准电压V[sub]REF[/sub]是13.25V,第一路PWM的最小分辨率是13.25V/24096，为0.5498mV。在5440B硬件电路设计中，RR（后面有解释）设计值为7200，再看第二路PWM的最小分辨率（13.25V/24096）/7200，为76.37nV，分辨率足够高了，完全满足7.5位的分辨率。
在数字运算电路中，一般都是脉冲计数，如果一个周期T的计数个数对应N，T[sub]ON1[/sub]和T[sub]ON2[/sub]分别对应的计数个数是N[sub]1[/sub]和N[sub]2[/sub][sub]，[/sub]那么上式整理一下为V[sub]O[/sub]= V[sub]REF[/sub]/N(N[sub]1[/sub]+ N[sub]2[/sub]/RR)[sub][/sub]
N——为时间分割计数器的总计数值，N[sub]1[/sub]为1通道的对应输入电压的计数值，N[sub]2[/sub]为2通道的对应输入电压计数值
RR——为1和2通道的衰减比例，也叫分辨率比例
在实际电路中，运放合成后，还会出现失调电压，也可能不同的电路还有增益。所以实际的应用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]OS[/sub]
K——为后面滤波器和缓冲器的增益，对基本量程而言，没有放大也没有衰减，为1
V[sub]OS[/sub]——为滤波器和缓冲器的失调电压，为了可以软件校正也人为引入一个固定的反向小电压之和
根据我手中的资料，我计算了一些源的值，RR这个值在FLUKE5440B为7200（满度计数N=24096）,FLUKE5700A设计为16250（满度计数N=42105），国产YJ93为16024（满度计数N=16384）,FLUKE 5500A中为2200（满度计数值8192）。
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发表于 2011-12-24 11:02:48
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发表于 2011-12-24 11:04:24
发表于 2011-12-24 11:42:06
楼主
发表于 2011-12-24 20:16:34