一种双反馈恒流源设计与实验

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　　摘  要： 文中介绍一种以PWM斩波稳流电路为基础的双反馈恒流源电路。该电路利用PWM芯片SG3525的双路调制波的输出功能，配合双MOSFET管斩波电路，实现硬件电路连续的闭环控制和单片机软件算法的数字化反馈相结合，从而最大程度地减小输出电流纹波。实验结果证明，该恒流源电路输出电流调节范围为20～2 000 mA，纹波电流低于0.2 mA，输出电流精度高，稳定性好。同时该电路具有键盘预设电流、液晶显示和过流保护功能。
　　关键词： 双反馈; 恒流源; 电路设计; 单片机; 斩波电路; 数据测试
　　中图分类号： TN753.5?34; TP368.2               文獻标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）12?0005?04
　　Abstract： A double feedback constant?current source circuit based on PWM chopper constant?current circuit is introduced. The circuit uses output function of dual?channel modulation wave of PWM chip SG3525 and cooperates with dual MOSFET chopper circuit to realize the combination of continuous closed?loop control of hardware circuit and digital feedback of SCM software algorithm， so as to minimize the output current ripple to the most extent. The experimental results verify that the output current adjustment range of the constant current source circuit is 20～2000 mA， the ripple current is less than 0.2 mA， and has high accuracy and stability of output current. At the same time， the circuit has keyboard preset current， LCD display and over?current protection function.
　　Keywords： double feedback; constant?current source; circuit design; SCM; circuit design; data test
　　0  引  言
　　恒流源常作为电流传感器、LED数码管显示器及电子实验的驱动电源，其稳定性和精度对系统具有非常重要的意义。文献[1?2]介绍了几种以微电流源、比例电流源和镜像电流源等模拟电路为主的恒流源电路。随着单片机技术的发展和日益成熟，以单片机为核心控制的数控电流源越来越受到人们的关注。数控电流源具有数字反馈、灵活易调及可视性好等特点。文献[3?5]介绍了运用数字量反馈技术的数控电流源设计方案，这些控制方法简单、容易实现，但是输出纹波电流较大，输出电流范围较小。设计恒流源电路时，如果把硬件电路反馈和数字量反馈结合起来构成双反馈电流源电路，纹波电流将得到有效遏制，电流输出稳态误差会变小，电流源的稳定性及输出范围也会得到改善。本文介绍一种以斩波稳流电路为基础，利用PWM脉宽调制波硬件电路反馈及单片机PID控制的双反馈恒流源电路设计。
　　1  系统设计方案
　　该系统以斩波稳流开关电路为基础，运用了PWM波驱动芯片进行硬件线路电压反馈，同时配合单片机PID算法对输出电流进行修正。系统设计拓宽了直流电流输出范围，使输出电流在20～2 000 mA之间可调;最大程度地减小了纹波电流，电流纹波控制在0.2 mA之内。除此之外，该系统还具有输出稳定性好、精度高、灵活易操作等特点。
　　总体设计方案原理如图1所示，220 V市电经过整流滤波、集成稳压管稳压后变成平稳的直流电，然后送入MOSFET管和电感线圈构成斩波电路，单片机与PWM脉宽调制芯片相结合控制MOSFET管的通断频率，斩波电流经过电容滤波后，输出可调的直流电。该系统有双重反馈：一是输出电流经采样后送入PWM芯片的反相输入端构成闭环控制，当监测到负载端口的输出电流波动时，PWM芯片调整调制波输出占空比，改变MOSFET管的通断频率，以补偿输出电流的变化;二是检测电流经A/D转换器转换成数字量后，送入单片机进行运算处理，用软件PID算法来修正输出量，然后将调节量经过D/A转换后，送入PWM脉宽调制驱动芯片的同相输入端，构成双级反馈，进一步减小输出误差。
　　2  PWM驱动斩波电路设计
　　2.1  双MOSFET斩波电路设计与分析
　　斩波电路原理如图2所示，PWM调制波输出接入P沟道的MOSFET管IRF5210的栅极，控制IRF5210的通断，电感L为储能电感。当IRF5210导通时储存电能，当IRF5210截止时释放电能，续流二极管D1构成IRF5210截止时电感线圈的放电回路[6?7]。通过负载电阻RL输出恒流电流，RS为采样电阻，通过RS将电流转换成电压后，以电压形式反馈给PWM的驱动芯片。 　　如果要求输出电流纹波小于0.2 mA，则电感的自感系数就必须很大，电感值过大，线圈不容易绕制[8]。为了弥补电感线圈对纹波电流滤除的不足，设计斩波电路时，采用两个P沟道MOSFET管IRF5210构成斩波电路以减小电流纹波[9]，设计图如图4所示。IRF5210的驱动芯片选用SG3525，SG3525能输出两路占空比一致、相位差180°的PWM调制信号。这两路PWM调整波分别接入两个IRF5210的栅极，控制两路IRF5210管轮换导通和截止，因此产生两路相位差为180°、幅度相同的电流，电流波形如图5所示。当两路反相电流叠加后，输出后的纹波系数将大大减小。负载电阻端并联的高频电容用于滤除高频成分。
　　2.2  PWM调制波驅动电路设计
　　PWM调制波驱动电路连接如图6所示，两路PWM调制波信号是由SG3525芯片产生的，从采样电阻上采集到的电压送至SG3525芯片的第1引脚，在硬件上直接构成闭环调节。单片机控制系统中的D/A转换器输出信号接至SG3525的第2引脚，通过单片机系统构成第二路反馈。 SG3525芯片第10引脚为闭锁控制端，受单片机I/O口控制，作为输出过流过压的一种保护。SG3525产生的PWM波分别从第11引脚和第14引脚上输出，由于PWM波是由芯片内部的两个D触发器通过分频得到的[10]，所以输出的两路PWM波信号占空比一致，相位相差180°。输出的两路PWM波分别经过三个40106反相器放大后驱动两个MOSFET开关管IRF2510。PWM波的输出频率由芯片内部振荡电路决定，振荡电路外接电容和电阻，即引脚5外接的电容C5和引脚6外接的电位器W3。振荡频率就由C5 的电容值和W3的阻值所决定，PWM波调制频率计算公式为[11][：]
　　调节电位器可以改变PWM波的频率，如果输出频率过高，会使IRF2510的开关损耗增大，管子容易发烫;如果频率太低，输出电流的纹波会增大[12]。为了得到更好的电流质量，频率一般取100 kHz左右，因此电容C5取3.3 nF左右，电位器W3最大可调范围选择10 kΩ。实验调试阶段，调节电位器使输出频率稳定在100 kHz左右。
　　2.3  电流采样电路
　　电路中接入采样电阻的目的是把电流转换成电压，从而进行采集，由于输出电流范围较大，所以采样电阻的热稳定性一定要好，设计中采用的是热稳定度高的康铜合金无感电阻，通过4个2 Ω电阻的串并联方式以增加散热功能。
　　3  单片机数控设计
　　3.1  硬件电路
　　单片机控制电路主要目的是采集取样电阻上的电压，通过A/D转换器转化为数字量，送入单片机中进行PID调节，处理后的数据通过D/A转换器转化成模拟量送入SG3525芯片的同相输入端（即引脚2），与硬件电路反馈回来的电压值作比较从而调整输出PWM波的占空比，使输出电流达到要求。
　　单片机选用ATMEL公司生产的低功耗、高性能的CMOS型8位微控制器[13]AT89S52 。因为输出电流的范围为20～2 000 mA，设定电流的步进设计为0.5 mA，A/D转换器的分辨率必须大于（2 000-20[）0.5]=4 000，所以选用12位的A/D转换芯片MAX1241。MAX1241的端口SCLK，[CS]，DOUT可与AT89S52的通用I/O口P1.0，P1.1和P1.2直接相连，由电源模块电路提供2.5 V电源作为其中REF端口所用的基准电压。同时D/A转换器选用12位的AD5320，确保预设电流步进达到0.5 mA。
　　键盘选用4×4矩阵键盘，由MM74C922芯片扫描4×4矩阵键盘输入信号，并根据对应键位信号进行译码处理，完成设定电流值的增、减、确定及取消等功能。液晶显示的是设定电流值和采样电流值，选用1602LCD进行双行显示。除此之外，选用2 Kb（256×8 bit）的存储器E2PROM?24C02用于存储设置的电流值。
　　3.2  系统软件设计
　　系统程序包括主程序、A/D转换子程序、D/A转换子程序、数据处理子程序、中断程序等。
　　主程序流程图如图7所示。首先完成液晶显示模块、键盘输入模块、输出电流初始值及中断的初始化设置;然后调用A/D转换子程序，读出采样电压，为增强A/D转换器的抗干扰功能，对采集到的数据进行中值滤波处理[14?15]。滤波后换算成电流进行比较，如果采样电流大于2.5 A，单片机P3.3引脚送出信号关掉PWM波输出，对输出进行过流保护;如果输出电流小于2.5 A，单片机调用数据处理子程序进行偏差的计算及PID 调节。D/A转换子程序将PID输出值转换为模拟信号，作为PWM控制芯片的给定信号，通过硬件反馈实现自动恒流控制。最后将采样电流和预设电流值显示在LCD上。按键扫描采用中断形式，当有键按下时，触发中断，在中断程序中判断按键，然后消抖，再判断按键值，根据按键值不同，调用不同的按键处理程序，做出相应的动作。
　　4  数据测试及分析
　　首先测试输出电流的精度，电路中接入6位半DM3068万用表测量实际输出电流值，用UT631毫伏表测试输出纹波电压值并换算成电流值，用5 Ω/50 W电位器作为负载电阻，把负载电阻调节到2 Ω保持不变，在20～2 000 mA内预设几组不同电流值，记录对应的输出电流值及纹波电流值。测试数据记录表见表1。对记录值进行误差计算。测试结果表明，设定电流在20～2 000 mA内变化时，纹波电流均小于0.2 mA，输出电流绝对误差最大为1 mA，相对误差平均值小于0.53%，显示电流值与预设电流值偏差小于0.5 mA。
　　其次，测试输出电流的稳定度，输出电流值设定不变，改变负载电阻阻值，分别为1 Ω，2 Ω和3 Ω时，测试输出电压和输出电流值见表2。 　　由表2可得，预设输出电流为120 mA和2 000 mA时，改变负载电阻的阻值，输出电压在10 V以内时，输出电流的相对误差最大为0.5%。
　　5  结  语
　　利用PWM脉宽调制芯片的双端输入功能，配合双开关管的斩波电路，把硬件电路连续的闭环控制和单片机软件算法修正的数字化反馈结合起来设计出来的恒流源电路，可以有效减小输出纹波电流，提高电流输出精度，并且电流输出稳定性也得到改善，电流输出范围也进一步拓宽。此外该恒流源还具有预设电流值的键盘输入功能，有显示预设电流和输出电流的液晶屏，具有过流保护功能，使用起来更加灵活易用，为科研服务和实验室应用提供一种优质电流源。
　　注：本文通讯作者为谭亲跃。
　　参考文献
　　[1] 黄建华，姜卫，尤国平，等.CMOS电流镜原理及应用分析[J].舰船电子工程，2009，29（6）：191?194.
　　[2] 邹雪城，韩俊峰.一种基于比例电流的欠压保护电路的设计和实现[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007（10）：64?66.
　　[3] 李宗平，王少坤，张宁，等.基于单片机的恒流源设计和实验[J].实验室研究与探索，2017，36（1）：49?53.
　　[4] 李业德，赵光远，张景元.基于单片机的数控直流电流源设计[J].微计算机信息，2006（29）：250?251.
　　[5] 邓晓千，蒋力立，刘彦鹂.基于STM8s的数控直流恒流源的設计[J].实验科学与技术，2017，15（1）：33?35.
　　[6] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
　　[7] 蓝和，慧宁武，闫晓金.全国大学生电子设计竞赛单片机应用技能精解[M].北京：电子工业出版社，2009.
　　[8] 展瑞岩，吴兴波，杨洪来，等.基于SG3525及MP430单片机的数控电流源设计[J].吉林化工学院学报，2013（11）：80?84.
　　[9] 肖卫初.数控恒压/恒流直流电源系统的设计与开发[D].长沙：湖南大学，2012.
　　[10] 肖卫初，何燕飞.一种低纹波高精度数控直流电流源的研制[J].西南科技大学学报，2013，28（1）：93?98.
　　[11] 柴西林，史亚盼，杜丽霞.一种高精度闭环数控直流电流源的研制[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：75?80.
　　[12] 胡山，张兴会，耿丽清.低纹波高精度数字电流源的设计[J].微计算机信息，2007（4）：206?207.
　　[13] 刘小成，吴清，夏春明.单片机原理及C51应用[M].上海：华东理工大学出版社，2009.
　　[14] 陈志勇，钱卫飞.新型数控直流电流源的设计与开发[J].电测与仪表，2009，46（z2）：116?119.
　　[15] 吴谨绎，张永忠，张凌涛.一种新型低纹波高精度数控直流电流源[J].中南林业科技大学学报，2007（3）：159?162.
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