高精度程控直流電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 洪， 趙若晴2， 李 姍， 武和雷

(1.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031； 2.南昌大學(xué) 際鑾書院，江西 南昌 330031)

隨著集成電路和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，直流電源逐漸進(jìn)入數(shù)字化和智能化的時(shí)代。傳統(tǒng)的模擬電源大多是由純模擬電路組成，其電路參數(shù)一般不可調(diào)節(jié)，且電路中經(jīng)常采用大量的電阻、電容、晶體管等分立元器件，致使電源制作完成后的體積非常大，不利于后期的安裝與維護(hù)[1]。穩(wěn)定性是判定電源好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，研制穩(wěn)定度不高的電源對(duì)工業(yè)生產(chǎn)毫無價(jià)值。另外，由于空中存在著大量電磁波的干擾，相對(duì)于數(shù)字電路來說，模擬電路受環(huán)境影響較大，抗干擾能力弱得多，因此難以保證電源的精度。近年來，高精度程控直流源的占有率在直流電源市場(chǎng)有了顯著提升，國內(nèi)廠商生產(chǎn)的直流電流源一般輸出范圍窄、電流精度低、紋波電流較大，主要適用于一些要求不高的用戶，難以滿足一些條件苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合。而國外的電源種類雖多，且具有高精度、低噪聲、紋波小等特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，性價(jià)比不高，不適于廣泛使用。

所介紹的程控電流源，它不僅輸出范圍寬、紋波小，而且精度高，其最大可輸出25 A大電流，通過上位機(jī)軟件可以設(shè)定電流的大小，并且電流的精度可達(dá)0.01%，穩(wěn)定度達(dá)0.003%。硬件電路是以STM32F103微控制器為核心，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換功能，依據(jù)閉環(huán)負(fù)反饋的原理進(jìn)行穩(wěn)流。外環(huán)主要由A/D轉(zhuǎn)換電路組成，微控制器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并根據(jù)相應(yīng)算法調(diào)整D/A模塊的輸出，即內(nèi)環(huán)的輸入信號(hào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該電流源可靠性高、操作簡(jiǎn)單，人機(jī)交互界面友好。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

選用ST公司推出的STM32F103控制芯片作為整機(jī)的控制核心，它使用了先進(jìn)架構(gòu)的ARM-Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核集高性能、低功耗、低成本于一體，并配有串行通信接口[2]。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、D/A模塊、V/I轉(zhuǎn)換電路以及A/D模塊等組成，V/I轉(zhuǎn)換電路又包括PI控制器、達(dá)林頓電路以及功率輸出電路。為了提高電源的精度和穩(wěn)定度，有些模塊之間需要加入二階巴特沃斯濾波電路和放大器運(yùn)算電路，濾波電路是濾除電壓信號(hào)的雜波，運(yùn)算電路是為了使A/D芯片的輸入處于線性度最好的中心部分，這樣可以提高控制精度，圖1為整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

上位機(jī)與STM32主控芯片之間通過以太網(wǎng)通信控制器芯片ENC28J60進(jìn)行TCP/IP通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，達(dá)到控制硬件系統(tǒng)的目的。STM32控制電路與D/A模塊和A/D模塊之間都有光耦隔離電路，其目的是將輸入與輸出予以隔離，既能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，又可以保護(hù)主控芯片不至于因電壓過高而損壞?；谶\(yùn)算放大器的PI控制器是內(nèi)環(huán)的控制中心，不斷采集取樣電阻上的電壓并調(diào)整輸出電流，最終穩(wěn)定輸出電流。保護(hù)電路的原理是將取樣電阻上的電壓作為窗值比較器的輸入，用于過流保護(hù)，當(dāng)輸入電壓不在窗值內(nèi)時(shí)，軟件上會(huì)將控制信號(hào)置零，硬件上會(huì)斷開電源，從而保證硬件系統(tǒng)和操作員的安全。電源模塊是必不可少的，小功率電源是由市電變壓、全橋整流、電容濾波后接三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出，為整個(gè)系統(tǒng)提供供電電壓[3]。而大功率電源是由擴(kuò)流電路產(chǎn)生，而且需要定制一個(gè)功率為300 W的變壓器。

1.1 D/A轉(zhuǎn)換電路

為了達(dá)到直流電流源的高精度和調(diào)節(jié)細(xì)度的要求，選用LTC1595B芯片，它是一款16 位的抗干擾能力強(qiáng)的D/A轉(zhuǎn)換芯片，其模擬輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的建立時(shí)間僅為2 μs，它采用SPI時(shí)序，有3個(gè)轉(zhuǎn)換控制端，其中CLK為時(shí)鐘端，SRI為數(shù)據(jù)輸入端，LD為數(shù)據(jù)鎖存端[4]。它是一種串行乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其參考電壓可由MAX6225芯片輸出2.5 V基準(zhǔn)電壓再經(jīng)過反向放大器得到，芯片的CLK/SRI/CS引腳分別通過光電隔離電路與STM32F103相連，受CPU控制。圖2為L(zhǎng)TC1595B的典型接法，RFB引腳通常連接在運(yùn)算放大器的輸出，根據(jù)其內(nèi)部原理，可以知道UU2的輸出腳對(duì)地的電壓計(jì)算公式為

(1)

式中，VREF為引腳1的參考輸入電壓，這里是-2 V;D表示與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，發(fā)送的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化后的十進(jìn)制數(shù)，它的最小可分辨電壓為2/65535 V=0.0305 mV。比如上位機(jī)發(fā)送的是FFFF，則將D=65535代入計(jì)算公式，VSet_DA_V為2 V；當(dāng)設(shè)為7FFF時(shí)，此時(shí)D=32767，則VSet_DA_V為1 V，以此通過發(fā)送十六進(jìn)制指令來控制D的值，從而實(shí)現(xiàn)VSet_DA_V的0～2 V可調(diào)。

圖2 D/A轉(zhuǎn)換電路

1.2 V/I轉(zhuǎn)換電路

V/I轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)電流輸出模塊的核心部分[5]。它實(shí)際上是建立了輸出電流與D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓之間的一種線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且輸出的直流電流很穩(wěn)定，不會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化。電路是在傳統(tǒng)的V/I轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)上增加了基于運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)電路，使得輸出電流得以快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出，圖3為V/I轉(zhuǎn)換電路的原理圖。由于最高要求輸出25 A大電流，而運(yùn)放的輸出電流比較小，所以采用達(dá)林頓電路來提高電流放大倍數(shù)。末級(jí)采用6個(gè)功率管并聯(lián)(圖中畫出兩個(gè))，并在其發(fā)射極串聯(lián)一個(gè)阻值為0.05 Ω的小電阻起平衡多路電流的作用。對(duì)于大電流輸出時(shí)，由于大功率會(huì)產(chǎn)生大量的熱從而造成自升溫，功率管的穩(wěn)定性將大幅度降低，所以需安裝涂有散熱膏的散熱器[6]。以下通過計(jì)算闡述V/I轉(zhuǎn)換電路的工作原理：假設(shè)流過標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻Rfx(x=1,2,…,6)的電流值為I0，則反饋電壓Uf=I0×Rf。

Uf經(jīng)過一級(jí)反向運(yùn)算放大器得到電壓：

(2)

根據(jù)放大器U1的“虛短”和“虛斷”原理，得

(3)

再由初始條件U1=0，整理后得

(4)

電阻R1、R2、R10、R12、Rf經(jīng)確定后為定值，由式(4)

可知：輸出電流I0與設(shè)定電壓Vi成線性關(guān)系，而Vi是DA輸出電壓，由上位機(jī)程序控制。這里取R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R10=10 kΩ，R12=100 kΩ，若Rf=1 Ω時(shí)，代入數(shù)值計(jì)算可以得出I0=100 mA。

當(dāng)使用繼電器切換標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻Rf時(shí)，在電源可提供足夠功率的前提下，可以得到不同數(shù)值的穩(wěn)定直流電流，這里設(shè)置10 mA、100 mA、1 A、5 A和25 A 5個(gè)擋位。采樣電阻Rf的切換可使用多個(gè)繼電器來控制，繼電器的控制電路是由引腳28的ENC28J60以太網(wǎng)控制器和移位寄存器6B595組成，上位機(jī)發(fā)出指令后再通過三極管開關(guān)電路完成采樣電阻的選擇[7]。操作整個(gè)系統(tǒng)，可以分為兩步：先根據(jù)所需輸出電流選擇合適擋位，再設(shè)定D/A模塊的輸出電壓，就可以完成一次電流輸出。所以該電流源操作簡(jiǎn)單，效率高。

圖3 V/I轉(zhuǎn)換電路

1.3 擴(kuò)流電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于V/I轉(zhuǎn)換電路的供電電源，因?yàn)樽畲笮枰敵?5 A大電流，用普通的穩(wěn)壓電源是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能輸出大電流的直流電源電路。LM317的擴(kuò)流方式主要分為晶體管擴(kuò)流、電阻擴(kuò)流和并聯(lián)擴(kuò)流[8]。這里采用LM317的晶體管擴(kuò)流法，擴(kuò)流管選用2SA1943大功率PNP型晶體管，一般其集電極電流最大可高達(dá)十幾安培，但為了安全及穩(wěn)定性起見，電流不宜過大，這里設(shè)定為5 A，所以需要5個(gè)PNP管并聯(lián)(圖中畫出兩路示意)，并在其發(fā)射極串接一個(gè)0.05 Ω的水泥電阻IR1～I(xiàn)R5，起多路平衡電流作用，電路如圖4所示。電阻R3是三端集成穩(wěn)壓器的泄流電阻，其值一般為幾Ω或幾十Ω，當(dāng)輸出電流小于LM317所能提供的電流時(shí)，僅LM317工作；當(dāng)所需輸出電流過大時(shí)，LM317與外接PNP一起工作，為電路提供足夠的電流。R2為外部引入電阻，由于LM317的GND腳電流很小，手冊(cè)上的典型值為50 μA，達(dá)不到穩(wěn)壓管的工作電流要求，所以需要從輸入端引入一個(gè)恰當(dāng)?shù)碾娮枋沟梅€(wěn)壓管能起到基準(zhǔn)電壓的作用。

由于最大輸出電流要求是25 A，若單獨(dú)采用電容濾波，根據(jù)公式RLC≥(3～5)T/2，其中T為電網(wǎng)電壓周期，則電容量需要高達(dá)10×104μF，而大電容產(chǎn)生的尖峰脈沖寬度很窄，對(duì)整流橋的破壞特別大。故電容濾波不適用于大電流的場(chǎng)合，這里采用電感電容濾波，并要求在整流器上安裝涂有散熱膏的散熱器。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

圖4 擴(kuò)流電路

圖5 電流調(diào)整流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通常，用基本誤差來衡量?jī)x器的精度，其計(jì)算方法主要有3種：絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差，最普遍的是引用誤差。本次測(cè)試工具為安捷倫有限公司生產(chǎn)的六位半的高精度數(shù)字萬用表34410 A，該萬用表的精度為0.01%，可檢測(cè)的直流電壓量程為100 mV～1000 V，可檢測(cè)的直流電流量程為10 mA～3 A。當(dāng)測(cè)量小電流時(shí)，可直接將萬用表串入V/I轉(zhuǎn)換電路中，顯示的值即為實(shí)際的電流值；而當(dāng)測(cè)量大電流時(shí)，需要串入一個(gè)0.001 Ω/1 W的標(biāo)準(zhǔn)電阻，再用萬用表測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓值，從而間接得出直流電流的值。圖6為電路設(shè)計(jì)完成后的實(shí)物接線圖，測(cè)量結(jié)果見表1，其中Is表示電流設(shè)定值，It表示實(shí)際測(cè)量值，σ為電流精度，τ表示紋波電流，其中電流精度的計(jì)算公式為σ=|It-Is|/量程。紋波電流其實(shí)就是夾雜在輸出直流電流中的交流成分，用安捷倫高精度數(shù)字萬用表34410A的交流擋可以直接測(cè)量紋波。

圖6 實(shí)物測(cè)試圖

量程IsItσ/ %τ/mA10mA10.00009.999740.00260.00037.50007.499810.00190.00025.00004.999760.00240.00022.50002.499690.00310.0001100mA100.000099.99800.00200.002875.000074.99660.00340.002250.000049.99640.00360.001425.000024.99760.00240.00081A1.000001.000040.0040.0290.750000.750050.0050.0220.500000.500040.0040.0150.250000.250060.0060.0085A5.000004.999650.0070.1243.750003.749690.0060.0962.500002.499730.0050.0731.250001.249710.0060.03725A25.000025.00250.0100.73520.000020.00240.0100.57315.000015.00220.0090.43610.000010.00210.0080.287

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該電流源受上位機(jī)軟件的控制，并能按照設(shè)定值正常輸出穩(wěn)定的直流電流。若閉合0.1 Ω電阻的繼電器，即選為1 A擋位，再設(shè)置D/A的控制量D為FFFF，期望的電流為1 A，當(dāng)設(shè)置D為7FFF時(shí)，期望的電流為0.5 A。由表可知，在各個(gè)擋位輸出電流均都能滿足0.01%的精度要求，同時(shí)紋波電流隨著輸出電流的變化在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，證明該直流電流源的穩(wěn)定性較好。由此可得，所設(shè)計(jì)的直流電源滿足JJG(航天)38-1987《直流標(biāo)準(zhǔn)電流源檢定規(guī)程》的要求。

4 結(jié)束語

采用雙閉環(huán)控制方式，并根據(jù)最大輸出電流合理地設(shè)計(jì)了擴(kuò)流電源，使得直流源在輸出大電流的時(shí)候仍然保持很高的精度，在實(shí)際中也得到了很好的驗(yàn)證。內(nèi)環(huán)采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸出電流的穩(wěn)定度達(dá)到0.003%的要求；外環(huán)根據(jù)A/D采樣結(jié)果，由微控制器去調(diào)整D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓，從而調(diào)整輸出電流值，使得輸出電流的精度達(dá)到0.01%的要求。內(nèi)外環(huán)的相互配合使得輸出電流的精度和穩(wěn)定度都得到了很大的提升。同時(shí)，PI控制還改善了輸出電流的動(dòng)態(tài)特性，減少輸出電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的建立時(shí)間，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)。