多路輸出程控恒流源設(shè)計

張薿文，吳云峰，胥 嫏，岳 松，劉 霞

（電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054）

恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源?，F(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進了對恒流源的需求。在LED照明應(yīng)用中，LED對電流的敏感度高，因此，性能良好的恒流源可以極大地提高LED的使用壽命，本文主要介紹了一種多路輸出程控恒流源系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。該恒流源每一路輸出電流在0～3.5 A可選，可滿足多種使用需求。

圖1 恒流源系統(tǒng)Fig.1 Constant-current source system

1 程控恒流源電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用3路恒流源并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，每路電流輸出大小可以獨立控制，并由自己獨立反饋控制回路，能自行穩(wěn)定其輸出電流。電流輸出形式多樣，可以3路同時工作,每路輸出電流大小保持獨立；在長時間工作時,也可以3路分時工作，以避免電路元件工作在長時間、大電流狀態(tài)下疲勞性損壞。此外，多路電流并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，可以在單路燒毀的情況下使用余下通道，從而不至于影響整個系統(tǒng)[1]。同時，采取每通道模擬部分單獨成PCB板，可以適應(yīng)通道擴展要求。

本文所提出的程控恒流源是以單片機為核心，通過與電壓電流轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合的方法，實現(xiàn)電流可預(yù)置、可連續(xù)調(diào)節(jié)的功能，該系統(tǒng)主要包括兩大部分：數(shù)控模塊和直流電源模塊。本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 直流電源模塊的設(shè)計

該恒流源采用Buck電路，前端采用電源模塊輸入，電路簡單，易于控制。Buck電路是應(yīng)用很廣泛的降壓電路，主電路由不受控整流管、電感、開關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)由開關(guān)管的通斷實現(xiàn)對輸入電壓的斬波；輸出側(cè)由電感、電容組成二階濾波網(wǎng)絡(luò)，可以減小輸出電壓、電流紋波。

圖2 Buck電路圖Fig.2 Buck circuit diagram

圖2中，當開關(guān)管導(dǎo)通，整流管截止時，忽略開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，電感L兩端的電位為VIN和輸出電壓VO，且近似保持不變，故電感電流線性增加，此時在電感中儲存能量。若電容C兩端的電壓比輸出電壓略低，則電源還需為電容充電，在電容中儲存一定的能量。此過程負載消耗的能量由電源提供。一旦開關(guān)管變?yōu)榻刂梗鞴軐?dǎo)通，電感L中的磁場將改變其兩端的電壓極性，以保持其電流方向不變。忽略整流管上的壓降，電感L兩端的電位變?yōu)榱愫蚔O且近似不變，電感L中的電流線性下降，其中儲存的能量提供給負載。同時，當VO有所下降時，電容C也為負載RL提供部分能量?？梢?，這一過程負載RL消耗的能量由電感L和電容C提供?？傊?，Buck變換器就是用電感L和電容C作為儲能組件，將能量以離散的形式由輸入傳到輸出[2]。其中，控制芯片提供反饋控制用以實現(xiàn)恒流輸出。

Buck調(diào)整器可工作于連續(xù)和不連續(xù)模式下，但是Buck型輸出濾波器的拓補會在不連續(xù)模式下出現(xiàn)問題，因此，對該濾波器的拓補，電感選擇應(yīng)保證直到輸出最小規(guī)定電流時，電感電流也保持連續(xù)。直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時對應(yīng)臨界連續(xù)，所以

其中，Vin是輸入電壓，Vout為輸出電壓，fs是開關(guān)頻率，因為該電路對紋波要求高，選擇了L較大，為10 mH。

濾波電容C的選擇取決于紋波電壓的大小，而紋波大小又由電容ESR和電感電流紋波ΔIL決定，所以要選取合適的COUT，以最小化電壓紋波和負載瞬態(tài)值。通常情況下，電容的取值可由以下公式獲得：

Ion是輸出電流，Vor是紋波電壓。

1.2 程控模塊設(shè)計

XC164CM片機是德國SIEMENS公司推出的增強型16位單片機，其結(jié)構(gòu)新、性能強、編程簡單、適應(yīng)性強。該單片機能提供精度為8位或 10位，集成采樣和保持電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；擁有PWM產(chǎn)生模塊，在不同的工作模式下可靈活產(chǎn)生PWM信號或記錄事件，使恒流源電路簡化，利于電路控制。XC164CM含2個高速同步串行接口，支持高達20 Mb/s（模塊工作時鐘為 40 MHz）的全雙工和半雙工串行同步通信[3-4]。

XC164CM最大的優(yōu)點就是：內(nèi)部CCU單元使電源的外部硬件電路大大簡化，其強大的運算能力可以完成如電壓采樣信號處理更為有效復(fù)雜的算法,非常適應(yīng)于電源功率變換領(lǐng)域。

程控模塊主要由包括LED數(shù)字顯示、編碼開關(guān)、串口通信等功能的單片機系統(tǒng)組成。模塊的主要功能是按給定的電流值，提供調(diào)節(jié)輸出電流所需的PWM波。

程控模塊采用編碼開關(guān)輸入方式，設(shè)置給定的電流值并通過LED數(shù)碼管顯示，該系統(tǒng)也可通過RS232串口進行遠程控制電流設(shè)置與通道輸出[5]。單片機經(jīng)過運算，調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比，實現(xiàn)對恒流源輸出電流的控制和精確調(diào)節(jié)。

顯示電路采用普通4位數(shù)碼管實時顯示，用芯片MAX7219驅(qū)動數(shù)碼管。MAX7219是一個高性能的多位LED顯示驅(qū)動器,可同時驅(qū)動8位共陰極LED或64個獨立的LED。

MAX7219僅需3個串行端口DIN、CLK、LOAD實現(xiàn)與單片機的通信。

1.3 信號采樣調(diào)理電路

信號采集調(diào)理模塊包括采樣電路、信號調(diào)理電路和過電流保護電路。測試回路的電流進入信號采集和調(diào)理電路，在信號采集和調(diào)理電路中對電流信號通過電阻采樣，進行I/V轉(zhuǎn)換變成滿足A/D輸入范圍的電壓信號。過流保護電路在電路故障時啟動。

信號采集通過電阻分壓的方式采集輸出電壓，通過后端電阻的I/V轉(zhuǎn)換，可以采集實際的輸出電流。采集的模擬電壓，經(jīng)放大器LM358，輸入單片機的AD輸入口，與基準電壓相比較，用PI算法控制PWM的脈沖寬度，調(diào)整占空比，實現(xiàn)恒流輸出，電路如圖3所示。

圖3 信號采樣調(diào)理電路Fig.3 Signal sampling circuit

在電流輸出端接上采樣電阻，由電流輸出端采集到的經(jīng)分壓處理后得到采樣反饋信號，信號經(jīng)由運放后送入單片機。單片機ADC模塊對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，獲得的電流值送入LED顯示。

1.4 PWM驅(qū)動電路

XC164CM系列中的幾款產(chǎn)品具有捕獲比較單元 6（CAPCOM6），該單元由帶有3路捕獲/比較通道的定時器T12和帶有1路比較通道的定時器 T13組成。T12的各通道既能獨立產(chǎn)生PWM信號或接受捕獲信號，也可共同產(chǎn)生驅(qū)動交流電機或逆變器的控制信號序列。

在該電路中采用了MC34152，該器件是雙轉(zhuǎn)換高速驅(qū)動器，專門設(shè)計用于連接低電流數(shù)字電路與功率MOSFET，具有低輸入電流，可以與互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和晶體管-晶體管邏輯（TTL）電路相容，并且具有完全適合于驅(qū)動功率MOSFET的2個大電流推挽輸出。它還包含滯后的欠壓鎖定以防止在低電源電壓情況下發(fā)生誤動作[6]。具體框圖如圖4所示。

從圖4中可以看到，引腳2、4為信號輸入端，引腳5，7為同相輸出端,每個推挽電路驅(qū)動輸出端的輸出和吸收電流能夠達到1.5 A。產(chǎn)生的PWM信號用光耦隔離，隔離電壓沖擊及噪聲串擾串口通信電路。

圖4 MC34152原理圖Fig.4 MC34152 schematic diagram

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

多通道恒流源系統(tǒng)軟件共分為5個部分：初始化程序；通道電流設(shè)定、顯示程序；電流閉環(huán)PI控制；過流檢測關(guān)斷程序。圖5是控制軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

圖5 主程序框圖Fig.5 Main program block diagram

單片機上電后先經(jīng)過初始化程序完成各控制單元的初始化配置，初始化設(shè)置之后，程序進入模式選擇，主程序在判斷模式后，檢測編碼開關(guān)輸入或遠程串口輸入，獲得電流設(shè)定數(shù)據(jù)，通過單片機對輸入數(shù)據(jù)進行處理，此時數(shù)碼管顯示設(shè)定電流值，此時，單片機再根據(jù)設(shè)定值，對應(yīng)改變PWM波占空比，在電路工作過程中，一直對輸出電流進行檢測，通過PI調(diào)節(jié)方式，使輸出電流與設(shè)定電流一致，控制輸出電流恒流。軟件實現(xiàn)閉環(huán)控制，當電流超過最大值時，系統(tǒng)進入中斷服務(wù)程序。

3 測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1所示。

測試數(shù)據(jù)表明，在0～3 000 mA范圍內(nèi)，輸出電流值與設(shè)定電流值誤差較小，其變化均在允許范圍內(nèi)。說明恒流源的電源容量充足，由數(shù)控模塊控制的恒流源模塊線性良好,精度較高。

表1 部分測試數(shù)據(jù)Tab.1 Part of the test data

在實驗時，當電流超出允許范圍，電路能迅速關(guān)斷保護，說明電路保護措施良好，軟硬件都工作正常。

4 結(jié) 論

該恒流源在實際測試中，恒流控制性能表現(xiàn)出色，達到了設(shè)計要求。

實驗證明，利用XC164CM的強大捕獲比較單元和AD單元簡化了硬件電路，用多級保護隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，過流保護迅速可靠，穩(wěn)定性、重復(fù)性較好，并具有操作方便，顯示直觀等特點，使整個測試系統(tǒng)的工作性能達到了令人滿意的水平。

[1]歐陽明星.多路輸出精密電鍍恒流源設(shè)計[J].電測與儀表，2007，44（504）:55-57,61.OUYANG Ming-xing.The design of multi-channel precision current source for electroplating[J].Electrical Measurement&-Instrumentation， 2007，44（504）:55-57,61.

[2]肖華.Buck變換器的性能改進研究和實現(xiàn)[D].湖北：華中科技大學,2007.

[3]吳志紅，朱元，王光宇.英飛凌16位單片機XC164CS的原理與基礎(chǔ)應(yīng)用[M].上海：同濟大學出版社,2006.

[4]Infineon Technology AG.XC164 16-BitSingle-Chip Microcontroller with C166SV2 Core Volume 2 （of 2）:Peripheral Units[D].Geman:Infineon Technology AG,2004.

[5]鐘乃元，高飛.大電流高精度恒流源[J].電子測量技術(shù)，2007，30（9）:176-179.ZHONG Nai-yuan，GAO Fei.Design and implement of big-current,high-precision and invariable current source[J].Shiipboard Electronic Countermeasure，2007，30（9）:176-179.

[6]臧志云.基于UC1846和MC34152的高壓電源設(shè)計[J].艦船電子對抗，2008，31（3）:102-104.ZANG Zhi-yun.Design of high-voltage power supply based on UC1846 and MC34152[J].Shiipboard Electronic Countermeasure， 2008，31（3）:102-104.