劉恒東 裴婉婉 孫慧琳

（大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

伴隨著低壓直流用電設(shè)備的不斷增加和更新?lián)Q代的今天，直流供電電源等設(shè)備也必將得到發(fā)展。恒流源可以廣泛應(yīng)用于電子負(fù)載、充電器等生產(chǎn)場(chǎng)合，市場(chǎng)前景廣闊。隨著電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，現(xiàn)今社會(huì)，人們?cè)絹?lái)越追求產(chǎn)品的智能化，對(duì)于電子設(shè)備，精密度穩(wěn)定度是最重要的。性能好的電子設(shè)備，首先離不開(kāi)穩(wěn)定的電路，電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長(zhǎng)?；诖耍藗儗?duì)智能恒定電流器件的需求越來(lái)越迫切，當(dāng)今社會(huì)，數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是恒流方面技術(shù)剛剛起步且有待發(fā)展，高性能的可調(diào)智能電流源器件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間。本項(xiàng)目是基于（ZL200710012396.1）發(fā)明專(zhuān)利《用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置》[1]的應(yīng)用研制。研制出一種由單片機(jī)控制的高效率智能電流源，穩(wěn)定輸出可調(diào)電流源，可實(shí)際應(yīng)用于需要高效率高穩(wěn)定度低功耗恒流源的領(lǐng)域。

1 電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制的智能可調(diào)電流源，單片機(jī)的控制和恒流源的實(shí)現(xiàn)是核心的兩部分，通常采用通過(guò)單片機(jī)通過(guò)按鍵控制DA輸出給定電流，恒流源工作，達(dá)到穩(wěn)定的直流，單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，反饋調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)完整的閉環(huán)。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram

1.1 恒流源的設(shè)計(jì)

1.1.1 恒流源電路原理分析

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變；不因環(huán)境溫度變化而改變；內(nèi)阻為無(wú)限大（以使其電流可以全部流出到外面）。能夠提供恒定電流的電路即為恒流源電路?，F(xiàn)在技術(shù)上基本上采用壓控恒流源。

圖2 壓控恒流源Fig.2 VCCS

Q1為電流給定調(diào)整管,R3為電流取樣電阻，R1提供基準(zhǔn)電壓Uref來(lái)控制給定電流的大小。通過(guò)R3兩端的電壓的大小，來(lái)調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)管Q2的開(kāi)關(guān)量。如果負(fù)載RL減小，IL增大，則U(R3)變大，Q1開(kāi)關(guān)量減小，從而使IL降低，反之，則IL升高。實(shí)現(xiàn)了電壓控制恒流。

1.1.2 問(wèn)題的提出與解決

在上述電路中，存在以下問(wèn)題:其負(fù)載電路和控制電路都來(lái)自于統(tǒng)一回路，因此，負(fù)載兩端的壓降受到控制電路的供電電壓的限制；單純依靠場(chǎng)效應(yīng)管的打開(kāi)和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，電流給定調(diào)節(jié)管功率很大，導(dǎo)致效率降低。為了解決這些問(wèn)題，兼顧精度、效率、成本、功率、負(fù)載阻抗變化，研制可以高穩(wěn)定的隨時(shí)調(diào)節(jié)的電流源裝置 ，采用將電流給定控制部分、控制開(kāi)關(guān)部分和負(fù)載與負(fù)載電源控制部分三個(gè)電源回路分開(kāi)，互不干擾，在開(kāi)關(guān)管Q1和降壓續(xù)流電路的作用下，將負(fù)載回路多余能量的損耗減小，可以有效地減小電流調(diào)節(jié)管損耗大的問(wèn)題以及控制電路受負(fù)載回路電壓影響的問(wèn)題[1]。

電路構(gòu)成如圖圖3所示。Q1為開(kāi)關(guān)調(diào)整管,34063為脈寬調(diào)制控制器[2]，L1為儲(chǔ)能元件 ,減小開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗是提高電路效率的關(guān)鍵。為此,器件選擇飽和壓降小、頻率特性好的場(chǎng)效應(yīng)管和肖特基續(xù)流二極管。

圖3 采用開(kāi)關(guān)電源的恒流源及過(guò)壓保護(hù)電路Fig.3 The adoption of constant current source of switch power supply and over-voltage protection circuit

電流給定控制部分：由 IC1(OP07),R17，R12，D6，C4，Q2，R14(電流取樣電阻)構(gòu)成電流給定控制部分，此處的電源可以為正負(fù)電源或單電源，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載上的電流。此部分的電流給定懸浮在負(fù)載R11，C3之上，不受負(fù)載回路供電電壓和負(fù)載兩端的電壓的變化，本圖中可用手動(dòng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R17來(lái)調(diào)節(jié)電源回路中的電流。

控制開(kāi)關(guān)部分：由IC2，34063等部分組成，由該電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)光電或磁電隔離，控制開(kāi)關(guān)，使其不受負(fù)載兩端電壓變化的影響，也不受開(kāi)關(guān)電路所用電源電壓的影響。此處的PWM電路可以使用34063.這部分的功能電路懸浮在負(fù)載回路的降壓續(xù)流的電路之上，既不受負(fù)載回路電壓變化的影響，也不會(huì)因負(fù)載兩端活負(fù)載電源電壓的變化而受到電流給定控制回路的影響。當(dāng)電源電壓降低或負(fù)載電阻 RL降低時(shí) ,則取樣電阻 RQ上的電壓也將減少 ,則34063的 1、8管腳輸出方波的占空比增大 ,輸出電壓和將其電壓的變化變成占空比不同的光信號(hào),輸出隔離電路將光信號(hào)變成電信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng),使RL兩端電壓回升到原來(lái)的穩(wěn)定值。Q1關(guān)斷后,儲(chǔ)能元件L1保證負(fù)載上的電壓不變。當(dāng)輸入電源電壓增大或負(fù)載電阻值增大引起 RL兩端電壓增大時(shí) ,原理與前類(lèi)同 ,電路通過(guò)閉環(huán)反饋系統(tǒng)使RL兩端電壓下降到原來(lái)的穩(wěn)定值,從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流IL的目的。

負(fù)載和負(fù)載電源開(kāi)關(guān)部分：由負(fù)載R5、C3，負(fù)載電流調(diào)節(jié)管Q1，降壓續(xù)流電路、開(kāi)關(guān)管Q2，供電電源組成。其中，降壓續(xù)流電路，由電感L，電容C，二極管組成，用于在開(kāi)關(guān)的作用下降壓，并在降壓的過(guò)程中將所消耗的電能變成磁能，如果開(kāi)關(guān)關(guān)斷，可以將磁能變成電能送給負(fù)載。這樣能夠有效地增大效率。

1.2 過(guò)壓保護(hù)電路

過(guò)壓保護(hù)是加在被測(cè)電源設(shè)備中，旨在檢測(cè)被測(cè)電源設(shè)備是否過(guò)壓和保護(hù)恒流電路。它利用運(yùn)放的比較作用，使過(guò)壓后指示燈亮起，來(lái)得知電源過(guò)壓。在本研究中，為了達(dá)到過(guò)壓保護(hù)作用，從負(fù)載端分壓引入運(yùn)放負(fù)端，運(yùn)放正端接入?yún)⒖茧妷?，以小燈指示是否過(guò)壓，如果過(guò)壓，切斷Q2。如圖3。

1.3 DA 輸入電路

本系統(tǒng)采用TLV5618作為恒流源的電流給定部分[4]，TLV5618是美國(guó)TexasInstruments公司生產(chǎn)的帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的可編程雙路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，DAC輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的2倍，且其輸出是單調(diào)變化的。該器件使用簡(jiǎn)單，用5V單電源工作，并包含上電復(fù)位功能以確?？芍貜?fù)啟動(dòng)，帶有斯密特觸發(fā)器，帶有高的噪聲抑制能力，并為3線串行接口。因此，恒流電路的D/A轉(zhuǎn)換部分采用該芯片實(shí)現(xiàn)。電路圖如下：

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路及顯示電路Fig.4 D/A conversion circuit and display circuit

1.4 顯示模塊電路

本系統(tǒng)選用12864液晶屏，液晶屏能最多顯示16×4個(gè)英文字符或8×4個(gè)中文字符，提供可選的8位、4位并行接口及串行接口。通常選用串行接口就能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸速度的需求，節(jié)省了數(shù)據(jù)線引腳。如圖4。

1.5 按鍵控制電路

本系統(tǒng)需要6個(gè)功能按鍵，其中包括系統(tǒng)板上自帶的復(fù)位鍵，采用了低電平中斷觸發(fā)方式。在硬件設(shè)計(jì)上需要將所需要的按鍵接到MSP430微控制器的外部中斷端口上，另一端接到電源地即可實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在此不作詳細(xì)說(shuō)明。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及按鍵給定電流，電壓電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，顯示部分，主要用到單片機(jī)的以下程序：模數(shù)轉(zhuǎn)換，按鍵子程序，顯示子程序，數(shù)模轉(zhuǎn)換等。流程圖如下：

圖5 軟件流程圖Fig.5 The flow chart of software

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。有兩項(xiàng)測(cè)試：一是單獨(dú)測(cè)試恒流源：改變負(fù)載R6的大小，用萬(wàn)用表測(cè)試恒流源輸出，與單片機(jī)AD檢測(cè)顯示輸出電流進(jìn)行比較。二是作為電子負(fù)載進(jìn)行測(cè)試：改變被測(cè)電源的大小，用萬(wàn)用表測(cè)試恒流源輸出，與單片機(jī)檢測(cè)顯示輸出電流進(jìn)行對(duì)比。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本成果在調(diào)節(jié)負(fù)載和被測(cè)電源時(shí)可以實(shí)現(xiàn)很好的恒流功能，設(shè)定過(guò)壓保護(hù)為18V，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

表1 當(dāng)調(diào)節(jié)負(fù)載阻值時(shí)的電流變化Tab.1 The current changes when Adjustting the load resistance

表2 調(diào)節(jié)被測(cè)電源的電壓時(shí)電流變化Tab.2 The current changes when the power supply voltage being measured

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可得到：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的恒流源功能。并能通過(guò)按鍵達(dá)到單片機(jī)控制，效率高，穩(wěn)定度高。輸出電流可在0mA-2000mA范圍內(nèi)任意設(shè)定，不隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍±1mA，最終的檢測(cè)數(shù)據(jù)由lcd1602顯示，方便使用者進(jìn)行觀測(cè)。本系統(tǒng)還可運(yùn)用單片機(jī)控制DA輸入達(dá)到脈沖充電的效果，通過(guò)實(shí)時(shí)觀察充電電流和電壓，可以及時(shí)掌握充電過(guò)程和預(yù)測(cè)充電時(shí)間；研究專(zhuān)業(yè)的電子負(fù)載，為電源廠商提供強(qiáng)大的測(cè)試環(huán)境。

4 結(jié)論

本文給出了一種作為可調(diào)恒流電流源作為充電器和電子負(fù)載使用的電路實(shí)現(xiàn)，能夠達(dá)到高效率，多用途，有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能推廣到其它行業(yè)，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉恒東,陳猛.用負(fù)載懸浮控制電路的可調(diào)電流源裝置[P].中國(guó):CN 101122803 A,2008-02-13.

[2]張占松,蔡宜三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)修訂版[M].電子工業(yè)出版社,2004.

[3]王麗,康洪明.高精度程控電流源的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(07):106-110.

[4]陳德俊,王玉山.基于單片機(jī)數(shù)控電流源設(shè)計(jì)[J].電源世界,2009(09):30-32.