一種雙反饋恒流源設計與實驗

李宗平 譚親躍 陳帝伊 王少坤

摘 ?要： 文中介紹一種以PWM斬波穩(wěn)流電路為基礎(chǔ)的雙反饋恒流源電路。該電路利用PWM芯片SG3525的雙路調(diào)制波的輸出功能，配合雙MOSFET管斬波電路，實現(xiàn)硬件電路連續(xù)的閉環(huán)控制和單片機軟件算法的數(shù)字化反饋相結(jié)合，從而最大程度地減小輸出電流紋波。實驗結(jié)果證明，該恒流源電路輸出電流調(diào)節(jié)范圍為20～2 000 mA，紋波電流低于0.2 mA，輸出電流精度高，穩(wěn)定性好。同時該電路具有鍵盤預設電流、液晶顯示和過流保護功能。

關(guān)鍵詞： 雙反饋; 恒流源; 電路設計; 單片機; 斬波電路; 數(shù)據(jù)測試

中圖分類號： TN753.5?34; TP368.2 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

恒流源常作為電流傳感器、LED數(shù)碼管顯示器及電子實驗的驅(qū)動電源，其穩(wěn)定性和精度對系統(tǒng)具有非常重要的意義。文獻[1?2]介紹了幾種以微電流源、比例電流源和鏡像電流源等模擬電路為主的恒流源電路。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，以單片機為核心控制的數(shù)控電流源越來越受到人們的關(guān)注。數(shù)控電流源具有數(shù)字反饋、靈活易調(diào)及可視性好等特點。文獻[3?5]介紹了運用數(shù)字量反饋技術(shù)的數(shù)控電流源設計方案，這些控制方法簡單、容易實現(xiàn)，但是輸出紋波電流較大，輸出電流范圍較小。設計恒流源電路時，如果把硬件電路反饋和數(shù)字量反饋結(jié)合起來構(gòu)成雙反饋電流源電路，紋波電流將得到有效遏制，電流輸出穩(wěn)態(tài)誤差會變小，電流源的穩(wěn)定性及輸出范圍也會得到改善。本文介紹一種以斬波穩(wěn)流電路為基礎(chǔ)，利用PWM脈寬調(diào)制波硬件電路反饋及單片機PID控制的雙反饋恒流源電路設計。

1 ?系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)以斬波穩(wěn)流開關(guān)電路為基礎(chǔ)，運用了PWM波驅(qū)動芯片進行硬件線路電壓反饋，同時配合單片機PID算法對輸出電流進行修正。系統(tǒng)設計拓寬了直流電流輸出范圍，使輸出電流在20～2 000 mA之間可調(diào);最大程度地減小了紋波電流，電流紋波控制在0.2 mA之內(nèi)。除此之外，該系統(tǒng)還具有輸出穩(wěn)定性好、精度高、靈活易操作等特點。

總體設計方案原理如圖1所示，220 V市電經(jīng)過整流濾波、集成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后變成平穩(wěn)的直流電，然后送入MOSFET管和電感線圈構(gòu)成斬波電路，單片機與PWM脈寬調(diào)制芯片相結(jié)合控制MOSFET管的通斷頻率，斬波電流經(jīng)過電容濾波后，輸出可調(diào)的直流電。該系統(tǒng)有雙重反饋：一是輸出電流經(jīng)采樣后送入PWM芯片的反相輸入端構(gòu)成閉環(huán)控制，當監(jiān)測到負載端口的輸出電流波動時，PWM芯片調(diào)整調(diào)制波輸出占空比，改變MOSFET管的通斷頻率，以補償輸出電流的變化;二是檢測電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，送入單片機進行運算處理，用軟件PID算法來修正輸出量，然后將調(diào)節(jié)量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，送入PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動芯片的同相輸入端，構(gòu)成雙級反饋，進一步減小輸出誤差。

2 ?PWM驅(qū)動斬波電路設計

2.1 ?雙MOSFET斬波電路設計與分析

斬波電路原理如圖2所示，PWM調(diào)制波輸出接入P溝道的MOSFET管IRF5210的柵極，控制IRF5210的通斷，電感L為儲能電感。當IRF5210導通時儲存電能，當IRF5210截止時釋放電能，續(xù)流二極管D1構(gòu)成IRF5210截止時電感線圈的放電回路[6?7]。通過負載電阻RL輸出恒流電流，RS為采樣電阻，通過RS將電流轉(zhuǎn)換成電壓后，以電壓形式反饋給PWM的驅(qū)動芯片。

如果要求輸出電流紋波小于0.2 mA，則電感的自感系數(shù)就必須很大，電感值過大，線圈不容易繞制[8]。為了彌補電感線圈對紋波電流濾除的不足，設計斬波電路時，采用兩個P溝道MOSFET管IRF5210構(gòu)成斬波電路以減小電流紋波[9]，設計圖如圖4所示。IRF5210的驅(qū)動芯片選用SG3525，SG3525能輸出兩路占空比一致、相位差180°的PWM調(diào)制信號。這兩路PWM調(diào)整波分別接入兩個IRF5210的柵極，控制兩路IRF5210管輪換導通和截止，因此產(chǎn)生兩路相位差為180°、幅度相同的電流，電流波形如圖5所示。當兩路反相電流疊加后，輸出后的紋波系數(shù)將大大減小。負載電阻端并聯(lián)的高頻電容用于濾除高頻成分。

2.2 ?PWM調(diào)制波驅(qū)動電路設計

PWM調(diào)制波驅(qū)動電路連接如圖6所示，兩路PWM調(diào)制波信號是由SG3525芯片產(chǎn)生的，從采樣電阻上采集到的電壓送至SG3525芯片的第1引腳，在硬件上直接構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)。單片機控制系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號接至SG3525的第2引腳，通過單片機系統(tǒng)構(gòu)成第二路反饋。 SG3525芯片第10引腳為閉鎖控制端，受單片機I/O口控制，作為輸出過流過壓的一種保護。SG3525產(chǎn)生的PWM波分別從第11引腳和第14引腳上輸出，由于PWM波是由芯片內(nèi)部的兩個D觸發(fā)器通過分頻得到的[10]，所以輸出的兩路PWM波信號占空比一致，相位相差180°。輸出的兩路PWM波分別經(jīng)過三個40106反相器放大后驅(qū)動兩個MOSFET開關(guān)管IRF2510。PWM波的輸出頻率由芯片內(nèi)部振蕩電路決定，振蕩電路外接電容和電阻，即引腳5外接的電容C5和引腳6外接的電位器W3。振蕩頻率就由C5 的電容值和W3的阻值所決定，PWM波調(diào)制頻率計算公式為[11][：]

調(diào)節(jié)電位器可以改變PWM波的頻率，如果輸出頻率過高，會使IRF2510的開關(guān)損耗增大，管子容易發(fā)燙;如果頻率太低，輸出電流的紋波會增大[12]。為了得到更好的電流質(zhì)量，頻率一般取100 kHz左右，因此電容C5取3.3 nF左右，電位器W3最大可調(diào)范圍選擇10 kΩ。實驗調(diào)試階段，調(diào)節(jié)電位器使輸出頻率穩(wěn)定在100 kHz左右。

2.3 ?電流采樣電路

電路中接入采樣電阻的目的是把電流轉(zhuǎn)換成電壓，從而進行采集，由于輸出電流范圍較大，所以采樣電阻的熱穩(wěn)定性一定要好，設計中采用的是熱穩(wěn)定度高的康銅合金無感電阻，通過4個2 Ω電阻的串并聯(lián)方式以增加散熱功能。

3 ?單片機數(shù)控設計

3.1 ?硬件電路

單片機控制電路主要目的是采集取樣電阻上的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送入單片機中進行PID調(diào)節(jié)，處理后的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬量送入SG3525芯片的同相輸入端（即引腳2），與硬件電路反饋回來的電壓值作比較從而調(diào)整輸出PWM波的占空比，使輸出電流達到要求。

單片機選用ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的CMOS型8位微控制器[13]AT89S52 。因為輸出電流的范圍為20～2 000 mA，設定電流的步進設計為0.5 mA，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率必須大于（2 000-20[）0.5]=4 000，所以選用12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1241。MAX1241的端口SCLK，[CS]，DOUT可與AT89S52的通用I/O口P1.0，P1.1和P1.2直接相連，由電源模塊電路提供2.5 V電源作為其中REF端口所用的基準電壓。同時D/A轉(zhuǎn)換器選用12位的AD5320，確保預設電流步進達到0.5 mA。

鍵盤選用4×4矩陣鍵盤，由MM74C922芯片掃描4×4矩陣鍵盤輸入信號，并根據(jù)對應鍵位信號進行譯碼處理，完成設定電流值的增、減、確定及取消等功能。液晶顯示的是設定電流值和采樣電流值，選用1602LCD進行雙行顯示。除此之外，選用2 Kb（256×8 bit）的存儲器E2PROM?24C02用于存儲設置的電流值。

3.2 ?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、中斷程序等。

主程序流程圖如圖7所示。首先完成液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、輸出電流初始值及中斷的初始化設置;然后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序，讀出采樣電壓，為增強A/D轉(zhuǎn)換器的抗干擾功能，對采集到的數(shù)據(jù)進行中值濾波處理[14?15]。濾波后換算成電流進行比較，如果采樣電流大于2.5 A，單片機P3.3引腳送出信號關(guān)掉PWM波輸出，對輸出進行過流保護;如果輸出電流小于2.5 A，單片機調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序進行偏差的計算及PID 調(diào)節(jié)。D/A轉(zhuǎn)換子程序?qū)ID輸出值轉(zhuǎn)換為模擬信號，作為PWM控制芯片的給定信號，通過硬件反饋實現(xiàn)自動恒流控制。最后將采樣電流和預設電流值顯示在LCD上。按鍵掃描采用中斷形式，當有鍵按下時，觸發(fā)中斷，在中斷程序中判斷按鍵，然后消抖，再判斷按鍵值，根據(jù)按鍵值不同，調(diào)用不同的按鍵處理程序，做出相應的動作。

4 ?數(shù)據(jù)測試及分析

首先測試輸出電流的精度，電路中接入6位半DM3068萬用表測量實際輸出電流值，用UT631毫伏表測試輸出紋波電壓值并換算成電流值，用5 Ω/50 W電位器作為負載電阻，把負載電阻調(diào)節(jié)到2 Ω保持不變，在20～2 000 mA內(nèi)預設幾組不同電流值，記錄對應的輸出電流值及紋波電流值。測試數(shù)據(jù)記錄表見表1。對記錄值進行誤差計算。測試結(jié)果表明，設定電流在20～2 000 mA內(nèi)變化時，紋波電流均小于0.2 mA，輸出電流絕對誤差最大為1 mA，相對誤差平均值小于0.53%，顯示電流值與預設電流值偏差小于0.5 mA。

其次，測試輸出電流的穩(wěn)定度，輸出電流值設定不變，改變負載電阻阻值，分別為1 Ω，2 Ω和3 Ω時，測試輸出電壓和輸出電流值見表2。