一種大電流高精度電流源設(shè)計(jì)

楊韜悅，張士科，楊新華

（1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)信息工程系，安徽宣城242000；2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

一種大電流高精度電流源設(shè)計(jì)

楊韜悅1，張士科2，楊新華2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)信息工程系，安徽宣城242000；2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

針對(duì)傳統(tǒng)電流源精度較低和難以擴(kuò)展的問題，提出了一種大電流高精度電流源設(shè)計(jì)方法。在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用大電流運(yùn)算放大器和高性能控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)；針對(duì)精度和實(shí)時(shí)性要求，采用模糊PI控制方法；針對(duì)大電流輸出問題，采用多器件并聯(lián)方法，并解決環(huán)流問題；同時(shí)設(shè)置了多重軟件保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案的電流源不但達(dá)到了技術(shù)要求，能夠穩(wěn)定可靠工作，并且易于擴(kuò)展。

高精度電流源；模糊PI；OPA549；AD7705

電流源是電子系統(tǒng)中常用的單元電路，廣泛應(yīng)用于各種測控系統(tǒng)[1-3]。小電流的電流源可以用多種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，技術(shù)指標(biāo)也可以做得很好，但是對(duì)大電流精密電流源而言，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以滿足要求[4-7]。本文介紹的電流源是按照技術(shù)要求為某大型裝備設(shè)計(jì)的可控大電流精密電流源，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：電流范圍0～50 A，并且能夠按照需要對(duì)輸出電流進(jìn)行擴(kuò)展；輸出電壓范圍0～1 V（0～50 A）；電流源電流大小通過0～10 V直流電壓給定，電流誤差小于0.5%，功耗不超過300 W（50 A），體積有限制，并且要盡可能小。

1 設(shè)計(jì)方案

按照電流源的技術(shù)要求，對(duì)電流的精度有較高的要求。在小電流情況下達(dá)到較高的電流控制精度比較容易，但在大電流情況下要達(dá)到較高的精度，有一定的難度，而且本設(shè)計(jì)中輸出電壓范圍很?。?～1 V），因此必須采用線性電路方案，并且要引入負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；要求電流源通過0～10 V電壓可調(diào)，可采用數(shù)字控制方案。

綜合考慮，采用以下技術(shù)方案：由單片機(jī)完成整個(gè)電流源的控制，將0～10 V的電流給定信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)輸出數(shù)字給定信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器控制輸出電流；輸出電路采用由大電流運(yùn)算放大器構(gòu)成的U/I轉(zhuǎn)換電路，大電流運(yùn)算放大器采用TI公司的OPA549，該運(yùn)算放大器可以輸出8 A電流，峰值電流可達(dá)10 A[8-9]。鑒于單片OPA549輸出電流有限，設(shè)計(jì)中采用輸出端多個(gè)OPA549并聯(lián)的方式擴(kuò)展輸出電流，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用12片OPA549并聯(lián)輸出；考慮到功耗的要求，結(jié)合OPA549的供電條件，設(shè)計(jì)中采用±5 V電源供電，同時(shí)考慮到輸出電流為正極性，因此在電源設(shè)計(jì)中正負(fù)電源分別采用不同電流容量的電源，其中正電源采用+5 V/60 A的開關(guān)電源供電，負(fù)電源采用-5 V/3 A的開關(guān)電源供電；考慮到電流源的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，以及控制算法的實(shí)時(shí)性要求，單片機(jī)采用Microchip公司的dsPIC30F2010，該處理器為16位高性能數(shù)字信號(hào)控制器，內(nèi)含單周期硬件乘法器，可實(shí)現(xiàn)單周期乘-累計(jì)（MAC）操作，另外該處理器提供3個(gè)SPI接口，便于與其它具有SPI接口的器件實(shí)現(xiàn)串行通信，有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；DAC采用具有SPI接口的串行16位DAC，電流反饋ADC采用具有SPI接口的16位串行ADC；由于設(shè)計(jì)的電流源工作于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要采取必要EMI/EMC措施[10-11]。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖1中0～10 V的電流給定信號(hào)經(jīng)線性衰減后送入ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，電流源輸出電流由高精度分流器檢測后經(jīng)調(diào)理電路送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在控制器dsPIC30F2010內(nèi)部設(shè)有PI控制器，由給定電流信號(hào)和反饋電流信號(hào)經(jīng)PI控制器產(chǎn)生電流控制信號(hào)，經(jīng)DAC電路產(chǎn)生控制電壓信號(hào)，通過對(duì)輸出級(jí)的控制輸出電流。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 輸出級(jí)電路

由于要求輸出電流達(dá)到50 A，而單片OPA549最大連續(xù)輸出電流為8 A，設(shè)計(jì)中采用12片并聯(lián)輸出的方式，電路如圖2所示，圖中只畫出3片OPA549并聯(lián)的情況，其它9片的連接方式相同。圖2中第一片OPA549做主芯片，其它的做從芯片，每個(gè)芯片輸出端串接0.1 Ω的電阻，起到限流作用，也避免OPA549輸出端出現(xiàn)環(huán)流問題，該電阻要選大功率電阻。圖中R1和R2對(duì)來自DAC的輸出電壓進(jìn)行分壓，以保證加到負(fù)載上電壓滿足0～1 V的要求，R3和C1構(gòu)成的低通濾波器用于減小電流紋波。

圖2 輸出級(jí)電路原理圖

2.2 電流采樣及反饋電路

圖3為電流采樣及反饋電路。由于電流源工作電流大，采用分流器對(duì)電流的采樣，為提高采樣精度，設(shè)計(jì)中采用0.2%高精度分流器。圖3中儀表放大器AD620用于對(duì)來自分流器的電流信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大，該儀表放大器輸入電阻大，增益調(diào)節(jié)方便。R4、C3為低通濾波器，用于濾去信號(hào)中的高頻噪聲。A/D轉(zhuǎn)換電路采用具有SPI接口的16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，REF192為AD7705提供精密電壓基準(zhǔn)，以提高A/D轉(zhuǎn)換精度[10-11]。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換器采用具有SPI接口的串行D/A轉(zhuǎn)換器DAC8531[12]，限于篇幅，電路圖略去。設(shè)計(jì)中DAC8531和AD7705共用基準(zhǔn)電源[13-15]，以簡化電路設(shè)計(jì)。

3 控制算法及軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制算法

該電流源所在的設(shè)備使用環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備工作時(shí)電磁干擾非常嚴(yán)重，同時(shí)由于負(fù)載存在一定的突變性。鑒于此，為了能夠在保持電流源動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，使得控制器具有良好的實(shí)時(shí)性，電流源控制算法采用了模糊規(guī)則優(yōu)化的PI控制。另外在硬件電路中加入調(diào)節(jié)器對(duì)輸出進(jìn)行限幅。

系統(tǒng)給定電流值通過外部電壓信號(hào)輸入，經(jīng)分壓、調(diào)理等電路進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。實(shí)際工作時(shí)采用均值濾波抑制干擾，故等效采樣速率做到2 kHz。

調(diào)節(jié)器通過差值化運(yùn)算，結(jié)合模糊規(guī)則表選取合適的PI參數(shù)值，經(jīng)過運(yùn)算將最終的輸出值通過高速DAC輸出，控制輸出電流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，確定參數(shù)P和I按照表1進(jìn)行選擇。

圖3 電流采樣及反饋電路

表1 模糊規(guī)則表

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，在調(diào)節(jié)輸出電流時(shí)為保證電流波動(dòng)不要太大，每次輸出偏差調(diào)節(jié)范圍限制在DAC輸出范圍的1%以內(nèi)。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。圖中只給出主程序流程圖，子程序流程圖略去。

圖4 主程序流程圖

3.3 保護(hù)機(jī)制

電流源在運(yùn)行中會(huì)遇到一些異常情況，例如負(fù)載斷開、采樣回路異常、輸出功率器件損壞、功率器件發(fā)熱異常等。為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，在軟件方面引入三重保護(hù)機(jī)制：負(fù)載開路保護(hù)、功率器件輸出保護(hù)以及溫度保護(hù)。

負(fù)載開路保護(hù)。當(dāng)DAC輸出非零數(shù)值0.5 s后電流采樣值始終為0，則視為負(fù)載開路，此時(shí)立即切斷輸出，待機(jī)1 s后繼續(xù)嘗試輸出，直至正常負(fù)載接入。

功率輸出保護(hù)。不間斷采樣功率器件輸出的電壓值，并與DAC輸出值進(jìn)行比較，若兩路數(shù)值偏差過大，視為輸出功率器件異常，停止設(shè)備輸出，1 s后嘗試重新啟動(dòng)設(shè)備。

溫度保護(hù)。利用溫度傳感器18B20實(shí)時(shí)采集散熱器溫度，當(dāng)溫度超出80°C后停止輸出，待設(shè)備冷卻至50°C以下時(shí)嘗試重新啟動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)及測試

對(duì)上述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電流源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，輸出電流最大可以達(dá)到近60 A，在0～50 A之間可以實(shí)現(xiàn)線性控制，誤差控制在0.3%之內(nèi)，電路在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可以長時(shí)間穩(wěn)定工作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

按照本文介紹的方法實(shí)現(xiàn)了大電流高精度電流源設(shè)計(jì)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，電路穩(wěn)定可靠工作。利用本文介紹的設(shè)計(jì)方法還可以實(shí)現(xiàn)電流的擴(kuò)展，擴(kuò)展時(shí)只需根據(jù)需要增加輸出級(jí)并聯(lián)OPA549的個(gè)數(shù)，并增大+5 V電源的容量即可，電路連接方法相同。另外，通過處理器內(nèi)部不同的控制算法，配合DAC電路，還可以實(shí)現(xiàn)其他任意波形的大電流輸出，當(dāng)然受OPA549帶寬的限制，輸出波形的頻率范圍是有限的，此外，由于電路工作在線性狀態(tài)，功耗大，效率低。

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Design of high current and high precision current source

YANG Tao?yue1，ZHANG Shi?ke2，YANG Xin?hua2
（1.Department of Information Engineering of Hefei University of Technology Xuancheng Campus，Xuancheng242000，China；2.College of Electrical and Information Engineering of Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050，China）

According to the traditional current source with low precision and low extensibility，a design of high?current and high precision current source is proposed.On the basis of the analysis of the design，high?current operational amplifier and high?performance controller are employed in the design；the fuzzy PI controller is adopted to achieve the accuracy and real?time requirements；multi?device parallel method is used to deal with high output current，while the circulation problem of this method would be solved；besides，multiple software protection is set.The experiment shows that the current source not only meets the technical requirements，and can operate stably and reliably，but has excellent expansibility.

high precision current source；fuzzy PI controller；OPA549；AD7705

TN86

A

1674-6236（2017）22-0158-04

2016-09-19稿件編號(hào)：201609173

楊韜悅（1994—），女，甘肅蘭州人。研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。