基于降壓式斬波電路的基準(zhǔn)恒流源設(shè)計(jì)

肖林京 公棟梁 于志豪 常 龍

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266590)

基于降壓式斬波電路的基準(zhǔn)恒流源設(shè)計(jì)

肖林京 公棟梁 于志豪 常 龍

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266590)

以控制芯片TL494為核心，設(shè)計(jì)了一款電流調(diào)節(jié)區(qū)間在0～10 A的恒流源系統(tǒng)。系統(tǒng)基于降壓型斬波電路，主要用于鋰電池電源管理系統(tǒng)的放電試驗(yàn)。工作時(shí)，TL494電路生成的PWM信號(hào)經(jīng)IR2110電路驅(qū)動(dòng)后，控制場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)，實(shí)現(xiàn)降壓式主回路的導(dǎo)通、閉合。改變TL494電路的輸入電壓可調(diào)整生成的PWM信號(hào)的占空比，從而達(dá)到電流可調(diào)的目的，而串聯(lián)在電流主回路中的霍爾電流傳感器反饋信息到PI調(diào)節(jié)電路，構(gòu)成閉環(huán)控制，使電流恒定。利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該恒流源可輸出穩(wěn)定度優(yōu)于0.01、相對(duì)誤差小于1%的穩(wěn)定電流。

TL494 恒流源 閉環(huán)控制 Simulink 斬波電路 穩(wěn)定度

0 引言

從電真空器件到集成電路，恒流源經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域有了豐富的應(yīng)用[1]。目前，比較智能的恒流源系統(tǒng)如電子負(fù)載等價(jià)格都比較昂貴，在進(jìn)行蓄電池簡(jiǎn)易放電試驗(yàn)時(shí)，需要一件低成本的恒流源設(shè)備。恒流源的設(shè)計(jì)方法一般有3種：利用穩(wěn)壓源和電阻構(gòu)成、利用恒流器件構(gòu)成和利用負(fù)反饋放大器構(gòu)

成[2]。本文采用第二種方法，通過PI控制電路對(duì)霍爾電流傳感器負(fù)反饋與給定量差值的控制，調(diào)節(jié)電流源穩(wěn)定輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用，主回路直流電壓小于等于24 V，輸出電流范圍為0～10 A。

1 恒流源電路結(jié)構(gòu)與原理

恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想如圖1所示，圖1(a)所示結(jié)構(gòu)框圖和圖1(b)所示功能框圖一一對(duì)應(yīng)。

圖1 系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想

由圖1可以看出，恒流源系統(tǒng)由TL431基準(zhǔn)電路、PI調(diào)節(jié)電路、TL494發(fā)生電路、IR2110驅(qū)動(dòng)電路和Buck主回路組成，分別實(shí)現(xiàn)給定基準(zhǔn)、調(diào)節(jié)占空比、生成PWM信號(hào)、驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)和提供電流回路的功能。

1.1 功率主回路

功率主回路采用降壓式的DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即Buck電路，如圖2所示。

圖2 Buck變換器主電路

電路主要由電感、電容、負(fù)載、二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、霍爾電流傳感器和相關(guān)保護(hù)電路構(gòu)成，其中電感由4 mm2電線繞制而成，場(chǎng)效應(yīng)管選擇兩個(gè)安裝有散熱片的IRF540芯片,保證散熱性和可靠性。TL494控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)IR2110電路驅(qū)動(dòng)后輸出到IRF540的門極，控制主回路的通斷。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)電感L1并存儲(chǔ)能量；開關(guān)閉合時(shí)，電感L1通過二極管D1釋放能量[3]。并聯(lián)在IRF540兩端的RCD吸收電路和穩(wěn)壓二極管D3和D4構(gòu)成限幅器，分別用來降低關(guān)斷損耗和保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管不被擊穿。

霍爾電流傳感器HFK200BS與負(fù)載R串聯(lián)在輸出回路中，輸出電壓UH與測(cè)量電流I的關(guān)系為：

(1)

負(fù)載兩端電壓UR與霍爾輸出電壓UH關(guān)系為：

UR=200×(UH-2.5)×R

(2)

依據(jù)UR與UH的關(guān)系，將霍爾傳感器輸出端接入運(yùn)算放大器，與2.5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)減法運(yùn)算器后再放大200倍，然后作為反饋信號(hào)接入PI控制電路。當(dāng)R取1Ω、電流小于10A時(shí)，反饋電壓介于0～10V之間。

1.2 信號(hào)基準(zhǔn)電路

信號(hào)基準(zhǔn)電路主要由TL431芯片及分壓電阻構(gòu)成，旨在為系統(tǒng)提供精確的給定電壓，使設(shè)定的電流值更加準(zhǔn)確。TL431是一個(gè)具有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，提供2.5V的基準(zhǔn)電壓，利用分壓原理，可輸出0～36V范圍內(nèi)的電壓。系統(tǒng)設(shè)定的給定電壓為0～10V。

1.3PI調(diào)節(jié)電路

PI調(diào)節(jié)電路是閉環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，主要由運(yùn)放芯片LMV324構(gòu)成，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差、抵抗干擾，使系統(tǒng)能提供精準(zhǔn)穩(wěn)定的電流。電路的輸入端是兩個(gè)電壓跟隨器，輸入阻抗高、輸出阻抗低，有良好的緩沖隔離作用[4]。相應(yīng)的輸入信號(hào)是反饋電壓和基準(zhǔn)電壓。反饋電壓由串聯(lián)在主回路中的霍爾電流傳感器經(jīng)變換后給出，是反映電流大小的電壓量；基準(zhǔn)電壓由基準(zhǔn)電路給出，用來設(shè)定電流大小。電壓跟隨器的輸出經(jīng)PI調(diào)節(jié)接入TL494的反饋端，對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。比例系數(shù)和積分系數(shù)分別由串聯(lián)后接在運(yùn)放兩端的電阻R和電容C的值確定，具體數(shù)值將在后文分析中給出。

1.4PWM產(chǎn)生電路

主回路中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉需要高低電平變換的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來完成，這里采用PWM信號(hào)，由TL494芯片生成。TL494是一種固定頻率的脈寬調(diào)制電路，內(nèi)部集成振蕩器、死區(qū)時(shí)間比較器、脈寬調(diào)制比較器和D觸發(fā)器等電路，使用時(shí)外接相應(yīng)的電阻、電容即可產(chǎn)生PWM信號(hào)。為方便調(diào)試，設(shè)計(jì)中并未使用TL494自帶的誤差放大器，而是使用了外接的LMV324運(yùn)放電路。將誤差放大器反相輸入端(2、15管腳)接5V參考電壓(14管腳)，同相輸入端(1、16管腳)接地；反饋輸入端(3管腳)接PI控制器的輸出，用來調(diào)整PWM波形占空比；死區(qū)控制端(4管腳)接地，使輸出的PWM信號(hào)的最大占空比為96%；輸出控制端(13管腳)接地，關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器，使輸出脈沖頻率等于振蕩器頻率。C9和R10構(gòu)成鋸齒波振蕩電路，振蕩頻率為：

(3)

工作時(shí)，鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生的鋸齒波經(jīng)芯片內(nèi)部電路變換成方波輸出，占空比與3管腳輸入的反饋電壓大小成反相關(guān)。當(dāng)反饋電壓從0.5 V變化到3.5 V時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間下降到零。因?yàn)門L494內(nèi)置晶體管的結(jié)構(gòu)原因，使得集電極C1和發(fā)射極E1(8管腳和9管腳)間的管壓降略高。為了更好地驅(qū)動(dòng)MOSFET，在集電極C1外加二極管和三極管，使PWM信號(hào)的低電平更低一些；同時(shí)接上拉電阻到Vref端。

1.5 PWM驅(qū)動(dòng)電路

由TL494電路生成的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，在驅(qū)動(dòng)開關(guān)管前需接入專門的驅(qū)動(dòng)電路。一般采用推挽電路或?qū)Ｓ抿?qū)動(dòng)芯片，鑒于主回路中MOSFET開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流較大、功率較高，選取專用集成芯片IR2110實(shí)現(xiàn)。IR2110集成度高、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，兩個(gè)通道LIN和HIN可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(圖2中的Q1和Q2)一致動(dòng)作，能很好地滿足試驗(yàn)要求。

使用IR2110電路驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)注意限流電阻的選取。電壓給定的情況下，限流電阻決定了驅(qū)動(dòng)電流的大小，也就決定了MOSFET開關(guān)導(dǎo)通關(guān)斷的快慢。MOSFET開關(guān)導(dǎo)通過慢，會(huì)使器件功耗升高，同時(shí)影響占空比；MOSFET開關(guān)關(guān)斷太快，又會(huì)使門極和源極之間的瞬時(shí)電壓過高，影響器件壽命。

2 試驗(yàn)與分析

如圖3所示，硬件電路設(shè)計(jì)好后，根據(jù)Buck電路的結(jié)構(gòu)寫出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并通過改變比例系數(shù)和積分系數(shù)來確定PI調(diào)節(jié)電路中電阻R和電容C的值。

圖3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)與仿真

首先，確定比例參數(shù)P。在開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,為防止系統(tǒng)超調(diào)或振蕩，不適合選擇數(shù)值較大的比例參數(shù)。圖4示出的是積分系數(shù)為100、比例系數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，圖5所示為系統(tǒng)靜差曲線。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖5 系統(tǒng)靜差曲線

從圖4和圖5可以看出，比例系數(shù)取30時(shí)系統(tǒng)超調(diào)最大，但靜差最小, 比例系數(shù)取500時(shí)系統(tǒng)超調(diào)最小，但靜差最大?？紤]穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性, 選取比例系數(shù)為100，即R=100 kΩ。

其次,是積分參數(shù)I的選取。系統(tǒng)中的積分系數(shù)一般也不宜取得太大,否則影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖6給出的是比例系數(shù)為100、積分系數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。從圖6可以看出，比例系數(shù)為500時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)最快，但超調(diào)最大；積分系數(shù)取50時(shí)系統(tǒng)超調(diào)最小，但響應(yīng)最慢?？紤]穩(wěn)定性和快速性，選取積分系數(shù)為100，即C=1 nF[5]。

圖6 P相同、I不同時(shí)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

確定好PI調(diào)節(jié)電路的參數(shù)后，將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件連接、調(diào)試和測(cè)量，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能的好壞。測(cè)量時(shí)，使用高精度金屬殼散熱式電阻作為負(fù)載，每6 s記錄一次數(shù)據(jù)，40 min共得到400個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。此處僅以2.5 A、5 A、7.5 A、10 A的電流大小曲線為代表予以驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7 40 min內(nèi)電流大小取樣圖

每分鐘的電流值是1 min內(nèi)10個(gè)采樣點(diǎn)的平均值。從圖7可以看出，電流基本在設(shè)定的電流值±0.1 A的范圍內(nèi)。根據(jù)電流穩(wěn)定度的定義,電流穩(wěn)定度是指電流標(biāo)準(zhǔn)差與平均電流的比值，即[6]：

(4)

根據(jù)相對(duì)誤差定義,相對(duì)誤差是指測(cè)量值與真實(shí)值之差與真實(shí)值的比值，即：

(5)

式中：I為測(cè)量值；I′為設(shè)定值。代入數(shù)據(jù)，將每分鐘電流的相對(duì)誤差求出后再求平均值，求得電流為2.5A、5A、7.5A、10A時(shí)的相對(duì)誤差分別為0.320%、0.184%、0.273%、0.236%。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于Buck電路的恒流源系統(tǒng)，利

用運(yùn)放芯片LMV324和霍爾電流傳感器HFK200BS代替單片機(jī)進(jìn)行取樣反饋，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。PWM驅(qū)動(dòng)芯片采用體積小、速度快的IR2110，減少了開關(guān)管損耗，增加了系統(tǒng)耐用性。良好的散熱性能和負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用該恒流源對(duì)容量低于100Ah的鋰離子蓄電池進(jìn)行放電特性測(cè)試，能有效獲取蓄電池部分性能參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電流檢測(cè)的校準(zhǔn)等功能。

[1] 穆云田.基于單片機(jī)控制的直流恒流源的設(shè)計(jì)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 周凱鋒.30A高精度交直流恒流源的研制[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2002.

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[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：29-30.

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[6] 汪雨凌.25A恒流源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

Design of the Reference Constant-current Source Based on Buck Chopper Circuit

With the control chip TL494 as the core, the constant current source system within the adjust ingrange of 0～10 A has been designed. The system is based on buck chopper circuit, mainly used for discharge test of the Lithium battery power management system. In operation, the PWM signals generated by TL494 circuit are driven by IR2110 circuit, then implements on-off of the buck main loop by controlling FET switch. The duty cycle of the PWM signals can be adjusted through changing the input voltage of TL494, thus the current can be adjustable; the Hall current transducer that connected in series in main current loop feedbacks information to PI regulation circuit and builds the closed loop control to make the constant current. The system is simulated by adopting Simulink, and the test is conducted in accordance with the simulation result. The practical test result indicates that this constant current source can output stable current with stability of 0.01, and relative error less than 1%.

TL494 Constant-current source Closed-loop control Simulink Chopper circuit Stability

山東省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012GSF11606)。

肖林京(1966-)，男，2001年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事機(jī)電傳動(dòng)與控制技術(shù)、仿生摩擦學(xué)、散料輸送技術(shù)、新能源技術(shù)與裝備等方面的教學(xué)與研究工作。

TH89;TM933

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510020

修改稿收到日期：2014-09-23。