李 萍，高思宇，李業(yè)明，朱洪濤

（黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

穩(wěn)定直流電流源是一種重要的單片機電源，具有紋波低、精度高的特點，廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控電流源開始出現(xiàn)，并以控制靈活、調(diào)節(jié)方便的特點展示了良好的應(yīng)用前景。當前的電源技術(shù)主要包含了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論等諸多學科領(lǐng)域。計算機和通訊等現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，為電源技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊空間，但也給電源技術(shù)提出了更高要求。數(shù)控電源在電子裝置中的應(yīng)用已變得越來越普遍，但由于電源在工作時極易產(chǎn)生誤差，會對整個系統(tǒng)的精確度產(chǎn)生影響，導致在使用時造成一些不良后果。

以數(shù)控電流源為研究對象，根據(jù)開關(guān)電源的基本原理，為提高穩(wěn)定度，在斬波電路的前一級再增加一級穩(wěn)壓電路，并且采用兩個斬波電路同時工作，疊加后的電流更加穩(wěn)定，能夠提高輸出電流的強度。選用專用的PWM調(diào)制芯片與單片機相結(jié)合的方式來控制MOSFET開關(guān)。利用隔離性電流傳感器將輸出電流的大小轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號，分別傳送至WM集成芯片及單片機中，構(gòu)成雙反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 電路原理

1.1 總體設(shè)計方案

本次設(shè)計是以開關(guān)電源的原理為設(shè)計基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上進行改進，以提高電源的精度和穩(wěn)定性為目標，其系統(tǒng)的總體原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

1.2 整流濾波穩(wěn)壓電路

為濾除交流電源線上的干擾，同時避免向外界發(fā)出噪聲，在電源的輸入端加入了EMI濾波電路，能有效地抑制電路中的串模、共模干擾，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓處理，基本避免了輸入端對電路的影響。整流穩(wěn)壓電路原理如圖2所示。

圖2 整流穩(wěn)壓電路原理

1.3 PWM調(diào)制波與斬波的電路設(shè)計

本設(shè)計是由SG3525芯片實現(xiàn)PWM 自動調(diào)節(jié)，其電路原理如圖3所示。根據(jù)SG3525的資料可知，由引腳端5外接的電容CT值和引腳端6外接的電阻RT值來確定其輸出頻率，PWM調(diào)制波的頻率為f＝1／（0.7CTRT），將頻率設(shè)定在100kHz附近，取C5（CT）＝3.3nF，W3（RT）＝10kΩ的可調(diào)精密電位器。

圖3 PWM調(diào)制波與IRF5210驅(qū)動電路原理

為降低輸出電流的紋波系數(shù)，采用兩個MOSFET開關(guān)管IRFP9140構(gòu)成斬波電路，并由兩個占空比一致、相位相差180°的PWM信號來驅(qū)動，對后面的儲能電感進行充電。由圖4的波形可知，當兩路相位差為180°、大小一致的電流相疊加輸出時，其輸出電流的紋波系數(shù)要比使用單個斬波電路時的系數(shù)小。

斬波與濾波穩(wěn)流電路原理如圖5所示。續(xù)流二極管選用MBR7545，在輸出端并聯(lián)一個470uF／60V的電解電容儲能，同時，并聯(lián)一個高頻電容來濾除高頻成分。

圖4 iL1（t）、iL2（t）、iO（t）的理論波形

圖5 斬波與濾波穩(wěn)流電路原理

1.4 隔離型電流檢測電路

隔離型電流檢測電路是以HCNR200型線性光電耦合器為核心器件，由兩片高精度儀器運放OP27與其他一些輔助原件組成，具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好的特點，而且可以避免磁補償式電流傳感器在mA級小電流檢測時的非線性失真情況，其電路原理如圖6所示。

圖6 線性光電耦合器組成隔離型電流檢測電路原理

1.5 單片機模塊

如圖7所示，單片機最小系統(tǒng)采用ATS 89S8252系統(tǒng)。AT89S8252單片機主要完成設(shè)定值的按鍵處理、對SG3525給定量的輸出及對輸出電流值的采集與數(shù)值顯示。A／D轉(zhuǎn)換器選用ADS7841芯片，D／A轉(zhuǎn)換器選用DAC1208芯片，其轉(zhuǎn)換精度均達到12位，能夠滿足設(shè)計需求，并由AD584芯片提供基準電壓。

鍵盤的作用是實現(xiàn)對輸出電流值的任意設(shè)定，顯示電路主要作用是對給定值和輸出值進行顯示。由于本設(shè)計輸出的電流最大為2 000mA，因此，在設(shè)計中采用了4個共陰數(shù)碼管，軟件采用動態(tài)掃描的方式進行顯示。

圖7 單片機最小系統(tǒng)，A／D，D／A及按鍵顯示原理

1.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)選用的主控器件是單片機，單片機軟件包括主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、D／A轉(zhuǎn)換子程序及鍵盤顯示等程序。軟件采用匯編語言編寫。

本設(shè)計的主程序包括:A／D轉(zhuǎn)換子程序、D／A轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤顯示子程序以及過流保護子程序等，A／D轉(zhuǎn)換子程序的作用是將輸出電流對應(yīng)的電壓信號的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送給單片機，通過單片機的軟件進行運算，再由鍵盤顯示子程序，得出當時的電流值。

用戶設(shè)定的恒流值通過D／A輸出子程序轉(zhuǎn)化成模擬信號的給定值輸送給PWM控制器。鍵盤與顯示程序中采用動態(tài)掃描的方式驅(qū)動LED，而且在每一個主程序周期中都會掃描鍵盤一次，查看是否將有效按鍵按下，再根據(jù)按鍵狀態(tài)進行相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程

2 仿真結(jié)果

本次設(shè)計的目的是得到穩(wěn)定的直流電流，因此，對主電路進行仿真，并檢測輸出電流是否為恒流，仿真原理如圖9所示。

圖9 仿真原理

圖9 中利用兩個信號源代替兩個占空比一致、相位相差180°的PWM波，對MOSFET進行驅(qū)動。利用18V直流電源代替輸入電壓，R5為負載，流過R5的電流即為輸出電流，再選定掃描類型為Time Domain，設(shè)置start saving data為5ms，run to為5.05ms，步長為 0.1us，得到仿真波形如圖 10所示。

圖10 仿真波形

由仿真結(jié)果可知，該方案得到的輸出電流與圖4中iL1（t）、iL2（t）、iO（t）的理論波形圖基本一致，因此，該方案可達到本次設(shè)計的目標。

3 結(jié) 語

本設(shè)計采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，大大提高了輸出電流的穩(wěn)定，通過PWM芯片具有的自我調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的控制，單片機還可利用軟件算法來調(diào)節(jié)輸出電流。其中DC／DC變換是本設(shè)計的核心，采用非隔離的斬波電路實現(xiàn)穩(wěn)定輸出，并利用兩個斬波電路共同工作來提高輸出電流，對電流的穩(wěn)定也具有很好的效果。本設(shè)計所提出的設(shè)計方案簡單易懂，便于實現(xiàn)且所需費用較低，具有很高的性價比。當然，本設(shè)計也有一些需要改進和提高的地方，還可以更加全面的利用單片機具有的一些功能，在電流的精度方面也可以實行進一步的改進。

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