恒流源设计

恒流源设计

摘要：按照设计要求，本文对恒流源的几种方案进行了比较和分析。本设计采用推挽拓扑结构为恒流源主功率电路，以SG3525为PWM控制器，对输出电流进行差分取样线性放大，进而控制输出电流达到恒流的目的。单片机部分采用AT89S52芯片，使用带串行控制10位A/D芯片对电路进行采样从而获得输出电压、电流以测量显示，通过对输出电流和输出电压的运算，达到短路保护的目的。采用TI公司的双路比较器TLC372构成过压保护电路。测试结果表明，该环路系统稳定可靠，能够达到各项指标要求。

关键字：PWM 推挽差分

一、方案论证与比较

根据题目要求，设计方框图如下：

图一总体方框图

（1）主回路选择

恒流源的主电路是恒流源的功率部分，主电路的选择主要有两种方案。

方案一：采用全桥拓扑，该拓扑的变压器双向励磁，容易达到大功率，因为半桥上的两个MOS管交替导通关断，开关管断态时承受的峰值电压为电源电压。这种拓扑结构复杂，成本高，有直通的问题，需要复杂的多组隔离电路，适用于高压大功率的电源。

方案二：采用推挽拓扑，两只MOS管交替导通，驱动简单，输出功率较大。开关管关断时承受两倍电源电压，基于成本和本题的输入电压、输出功率较小的特点，故选择此方案。

（2）辅助电源的选择

由于本题要求只能有一路输入电源，而输入电压为20V~40V。需要辅助电源，从而有效的保护MOS管，有下面三种方案选择

方案一：用7812稳压芯片产生12V 的电压，7812的最大输入电压为35V ，而本题的最大输入电压为40V ，不符合题目要求。

方案二：用SG3525做一个稳压电源，此方案的稳压电源的静态损耗大，小电流的情况下，稳压电源的效率低。 方案三：采用最简单的降压拓扑结构buck ，TI 公司的TL2575HV-12芯片将脉宽调制、功率开关管集成，电路简单，输入电压变化范围大（15V —60V ），输出电压纹波小于10mV 。

综上所述，我们选择方案三。

（3） 电流采样

为了恒定输出电流，需要对输出电流采样。电流采样主要有三种方案。

方案一：用电阻采样，在负载的上串联一个高精度的小电阻，取其两端电压进行差分放大，此方案需要在采样电阻两端加电桥衰减共模电压，为了避免差分运放的反相输入阻抗和同相输入阻抗对电桥平衡的影响，需要在差分放大输入端加跟随器，采样电阻两端的电压会在电桥上衰减，差放的放大倍数应适当补偿。此方案存在输出电压零点漂移的情况。

方案二：采用霍尔电流互感器。利用霍尔效应将输出电流转换为电动势输出，其输出电动势的大小H H O U K I B =，其中H K 表示霍尔器件的灵敏度。霍尔传感器有体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大 、可靠性高的优点。但它的转换效率低，温度漂移大 ，在本题中要求精度比较高的情况下，需要进行温度补偿。

方案三：采用交流互感器，此方案需要在两个MOS 管接地点进行电流采样。交流互

感器的初级匝数为N1，原边电流1I ；次级匝数为N2，次边电路1

212

N I I N =

，将2I 线性放大后进行控制。此方案可直接控制输入电流 ，其响应速度最快，由于MOS 管的开关频率为20K ，输入电流的频率为40k ，如此高的频率，交流互感器的铁心损耗不容忽视。

考虑到本设计的输出电流较小，开关频率较高的特点，我们选用方案一。

二、 电路设计与参数计算

1.DC-DC 恒流主控电路

图二 功率主电路图

根据题目要求，输入电压为20—40v ，最大输出电压、电流为20V 、2A ，故最大输出功率(202)40Po UoIo W W ==⨯=，为了保证能够输出最大功率，变压器选用EI33。为保证

最大输入电压与最大占空比下磁芯不会饱和，根据法拉第定律有初级匝数

1()

14M A X M A X

M U D N B fS

=

匝,其中MAX D =0.4，1()MAX U =40V ，M B =2000Gs ，f =20kHz 。由于变压

器次边最大电压是20.7V ，初级的最小电压1MIN U ,变比1120122()MIN ON MIN

MAX MAX DF N U T U n N U U U T

=

==

+（

2on

T T

= 0.8，1MIN U =20V ，0MAX U =20V ，DF U =0.7V ），此处为了增大变压器磁芯的饱和安匝数和充分利用变压器窗口，适当加了气隙。输出滤波电感

0()()()(

)0.05)M A X O M A X D C M I N O

M A X

V T V

T

LO I I

=

=

(0()MAX V =20V,

T

=

50uS

，()O MAX I =2A ，

()O MAX I =20()DC MIN I )。整流二极管要求响应速度快，应选用快恢复二极管，允许通过的最大

电流大于要求的最大输出电流2A ，耐压值大于两倍的输出电压即大于40v ，MBR20100反向

恢复时间RR T 约60~70ns,反向工作峰值电压RRM V =100V ，正向最大电流，最大正向压降F V =0.7V ，可以满足电路设计要求。

由于推挽拓扑的开关管电压应力是()2IN MAX U =80V ，采用MOS 管IRF530可以满足要求，其DS V ＝100V 、()DS ON R ＝0.14Ω、()D ON I ＝14A 。

SG3525振荡频率由5脚和6脚的电容和电阻及死区调节电阻共同决定，

1

(0.73)

T T D f C R R =

+，这里T C =0.01uF ，T R = 6.8K ，D R =100欧姆。恒定电流是通过在负

载上串联一个高精度0.1欧姆的电阻，通过差分放大器将采样电阻两端的电压放大，此处放大10倍，差分放大器的输出电压送到SG3525的１脚，与2脚设置的电压相比较，动态调节输出电流，使输出电流基本不变，通过改变2脚和给差分运算放大器加偏置，从而实现输出电流从0.1A 到2A 的调节。在SG3525的1脚和9脚之间放置ＰＩ调节器，可以对输出电流进行较为精确的调节。如下图示

图三 PI 调节

1

T

f out ref in i t in in R V V V V d R R C =--⎰（其中in T R C =）,此处电容取Cf=0.1uF ，Rin=5.1k ，T=5.1mS 。

2.取样电路的设计及计算