简述程控恒流源电路设计

0  引言

　　恒流源、交流恒流源、直流恒流源、电流发生器、大电流发生器又叫电流源、稳流源，是一种宽频谱、高交流稳流电源，具有响应速度快、恒流高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）等优点。

　　恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源。现代电子技术的广泛应用，促进了对恒流源的需求。在LED照明应用中，LED对电流的敏感度高，因此，性能良好的恒流源可以极大地提高LED的使用寿命，本文主要介绍了一种多路输出程控恒流源系统的设计和实现。该恒流源每一路输出电流在O～3.5 A可选，可满足多种使用需求。

1 程控恒流源电路设计

　　该系统采用3路恒流源并联输出结构，每路电流输出大小可以独立控制，并由自己独立反馈控制回路，能自行稳定其输出电流。电流输出形式多样，可以3路同时工作，每路输出电流大小保持独立；在长时间工作时，也可以3路分时工作，以避免电路元件工作在长时间、大电流状态下疲劳性损坏。同时，采取每通道模拟部分单独成PCB板，可以适应通道扩展要求。

　　本文所提出的程控恒流源是以单片机为，通过与电压电流转换电路相结合的方法，实现电流可预置、可连续调节的功能，该系统主要包括两大部分：数控模块和直流电源模块。本设计的系统结构框图如图1所示。

1.1 直流电源模块的设计

　　该恒流源采用Buck电路，前端采用电源模块输入，电路简单，易于控制。Buck电路是应用很广泛的降压电路，主电路由不受控整流管、电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧由开关管的通断实现对输入电压的斩波；输出侧由电感、电容组成二阶滤波网络，可以减小输出电压、电流纹波。

　　图2中，当开关管导通，整流管截止时，忽略开关管的导通压降，电感L两端的电位为VIN和输出电压VO，且近似保持不变，故电感电流线性增加，此时在电感中储存能量。若电容C两端的电压比输出电压略低，则电源还需为电容充电，在电容中储存一定的能量。此过程负载消耗的能量由电源提供。这一过程负载RL消耗的能量由电感L和电容C提供。其中，控制芯片提供反馈控制用以实现恒流输出。

　　Buck调整器可工作于连续和不连续模式下，但是Buck型输出滤波器的拓补会在不连续模式下出现问题，电感电流也保持连续。直流电流等于电感电流斜坡峰峰值一半时对应临界连续，所以

   

 　其中，Vin是输入电压，Vout为输出电压，fs是开关频率，因为该电路对纹波要求高，选择了L较大，为10 mH。

　　滤波电容C的选择取决于纹波电压的大小，而纹波大小又由电容ESR和电感电流纹波△IL决定，所以要选取合适的COUT，以化电压纹波和负载瞬态值。通常情况下，电容的取值可由以下公式获得： 

  

　　Ion是输出电流，Vor是纹波电压。

1.2 程控模块设计

　　XCl64CM片机是德国SIEMENS公司推出的增强型16位单片机，其结构新、性能强、编程简单、适应性强。该单片机能提供为8位或10位，集成采样和保持电路的模数转换器（ADC）；拥有PWM产生模块，在不同的工作模式下可灵活产生PWM信号或记录事件，使恒流源电路简化，利于电路控制。

　　程控模块主要由包括LED数字显示、编码开关、串口通信等功能的单片机系统组成。模块的主要功能是按给定的电流值，提供调节输出电流所需的PWM波。

　　显示电路采用普通4位数码管实时显示，用芯片MAX7219驱动数码管。MAX7219是一个高性能的多位LED显示驱动器，可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。

1.3 信号采样调理电路

　　信号采集调理模块包括采样电路、信号调理电路和过电流保护电路。测试回路的电流进入信号采集和调理电路，在信号采集和调理电路中对电流信号通过电阻采样，进行I／V转换变成满足A／D输入范围的电压信号。过流保护电路在电路故障时启动。

　　信号采集通过电阻分压的方式采集输出电压，通过后端电阻的I／V转换，可以采集实际的输出电流。采集的模拟电压，经放大器LM358，输入单片机的AD输入口，与基准电压相比较，用PI算法控制PWM的脉冲宽度，调整占空比，实现恒流输出，电路如图3所示。

　　在电流输出端接上采样电阻，由电流输出端采集到的经分压处理后得到采样反馈信号，信号经由运放后送入单片机。单片机ADC模块对信号进行A／D转换，获得的电流值送入LED显示。

1.4 PWM驱动电路

　　XCl64CM系列中的几款产品具有捕获比较单元6（CAPCOM6），该单元由带有3路捕获／比较通道的定时器T12和带有1路比较通道的定时器T13组成。

　　在该电路中采用了MC34152，该器件是双转换高速驱动器，专门设计用于连接低电流数字电路与功率MOSFET，具有低输入电流，可以与互补型金属氧化物半导体（CMOS）和晶体管-晶体管逻辑（TTL）电路相容。具体框图如图4所示。

　　从图4中可以看到，引脚2、4为信号输入端，引脚5，7为同相输出端，每个推挽电路驱动输出端的输出和吸收电流能够达到1.5 A。产生的PWM信号用光耦隔离，隔离电压冲击及噪声串扰串口通信电路。

2 系统软件设计

　　多通道恒流源系统软件共分为5个部分：初始化程序；通道电流设定、显示程序；电流闭环PI控制；过流检测关断程序。图5是控制软件系统的整体结构。

　　单片机上电后先经过初始化程序完成各控制单元的初始化配置，初始化设置之后，程序进入模式选择，主程序在判断模式后，检测编码开关输入或远程串口输入，获得电流设定数据，通过单片机对输入数据进行处理，此时数码管显示设定电流值。软件实现闭环控制，当电流超过值时，系统进入中断服务程序。

3 测试结果

　　测试结果如表1所示。

　　测试数据表明，在0～3 000mA范围内，输出电流值与设定电流值误差较小，其变化均在允许范围内。说明恒流源的电源容量充足，由数控模块控制的恒流源模块线性良好，较高。

4 结论

　　实验证明，利用XCl64CM的强大捕获比较单元和AD单元简化了硬件电路，用多级保护隔离，提高了系统的抗干扰能力，过流保护迅速可靠，稳定性、重复性较好，并具有操作方便，显示直观等特点，使整个测试系统的工作性能达到了令人满意的水平。