数控直流恒流源设计报告

数控直流恒流源设计报告

本系统以直流电流源为核心，AT89s52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由液晶显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（tlv5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域

关键字

压控恒流源智能化电源闭环控制

设计任务与要求

1.1设计任务

设计并制作一个数控直流电流源。输入的交流电压220～240V,50Hz；输出的直流电压≤10V。其原理示意图1如下所示。

图1 设计任务示意图

1.2技术指标

基本要求：

（1）要求电压输出范围：200～2000mA；

（2）可设置并输出电流给定值，要求输出电流和给定电流的偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA；

（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；

（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流的变化的绝对值≤ 输出电流的1%+10mA；

（5）纹波电流≤ 2mA；

（6）自制电源。

发挥部分：

（1）输出电流范围为20~2000mA，步进为1mA；

（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时或交替显示电流的给定值或实测值），测量误差的绝对值≤测量值的0.1%+3个字；

（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤ 输出电流的0.1%+1mA；

（4）纹波电流≤0.2mA;

（5）其他。

2．方案比较与论证

2.1.1各种方案比较与选择

方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。由三段可调式集成稳压器构成的恒流源。

以W350为例，其最大的输出电流为3A，输出电压Uo′为1.2～33V。其典型的恒流源电路如图2所示。

图2 W350

当可调稳压器W350调解在输出电压Uo′=1.2V的时候，若R固定不变，则输出电流保持不变。因此可获得恒流输出。

此方案的优点：结构简单、外围元件少、调试方便、价格便宜。

缺点：精密的大功率的数控电位器难购买。

方案二：采用以单片机为核心的单片机最小系统。由数控稳压器构成的恒流源（如图3）。

图3 数控稳压器

方案一是在U o′不变的情况下，通过改变R数值而获得输出电流的变化。如果固定R 不变，如令R=1Ω，若能改变U o′的数值，同样可以构成恒流源。

此方案的优点：原理清晰，只需要数控恒压源的设计知识和器材的话，方案比较容易实现。

缺点：数控恒流源的地是浮地，与系统不共地线。

方案三：采用以单片机为核心的单片机最小系统。采用电流串联负反馈机理构成恒流源。

采用电流负反馈机理构成的原理图如下图4所示，它由LM399型精密基准电压源、DAC、低噪声误差放大器A、调整管、负载电阻RL，取样电阻RF及精密多圈电位器RP等组成。来自

CPU电流控制字数据加至D/A转换器，转换成电压信号通过多圈电位器RP加在运放A的同相段。由A、VT、RL、RF构成典型的电流串联负反馈。

图4 电流串联负反馈

方案三的优点：原理清晰，只要需要数控电压源的知识，元件资料。实现此方案很简单。

2.2 方案证论

整个系统根据其外围设备的复杂程度、花费成本，从系统可靠性、稳定性出发，以及根据现有的条件，采取合理的选择。

电源供电部分，选用常见的三端稳压，因其电路简单，输出电压稳定，成本低，被广泛应用。该电源部分的重点在于恒流源的电源提供，要求其恒定电流需达到2A，故一般的三端稳压芯片难以达到要求，故根据现有的条件，该部分不经过稳压，直接通过整流、多次滤波之后接入恒流源电路(效果显著)。尽管整个系统带负载能力不强，但是通过电流较大，热量消耗的功率非常大，并且对其稳定度要求非常高，所以为避免电路的供电部分对恒流源产生干扰影响，整个系统必须要两个变压器，一个给电路供电，一个专为恒流源部分电流。

恒流源部分，选用电流串联负反馈电路构成的恒流源，该电路简单，原理易懂。该部分为整个系统的核心电路部分，通过由MCU控制输出数据，经过D/A转换得到的电压值接入误差放大器的同向端，其反相端则是由流经采样电阻上的电流，采样得到的电压。通过误差比较，若不相等则通过误差放大，放大后的误差电压，通过转为电流信号接入调整管的基极。通过采样反馈回的电流信号的变化，调整管通过调整使得采样反馈回的电压Uf等于MCU控制输出，经由D/A转换输出的电压值，以达到数控的目的。D/A转换器(TLV5618)具有4096种状态，完全能满足要求。设计时两个电流控制字，代表1mA,当电流控制字从0,2,4，…，4000时的，电源输出电流分别为0mA,1mA,2mA,…,2000 mA。TLV5618是串行输入，串行输出的12位D/A

转换器。它需要一个基准电压源，选取精度高，电压温度系数小、性能好的精密基准电压源LM399。其基准电压为6.95V 。

由D/A 转换器TLV5618产生的模拟量Uf1加在误差放大器的同相端，若将Ui 作为运放TL082的输入量，则由采样电阻Rf 引入的反馈是典型的电流串联负反馈。其输出的电流Io 只取决Ui 和Rf 的大小。即Io=U_ / Rf ≈U+ / Rf=Ui / Rf 。

若Rf 取定，Ui 不变，则Io 恒定。这即是恒流源的工作原理。

若Rf 一定，Ui 随电流控制字的变化而变化。故Io 也随电流控制字的变化而变化。 根据题目要求，输出电流Io 的变化范围为20~2000mA ，则Imax=2000mA 。 取Rf=0.5Ω,则Ufmax=Uimax=Vnmax=Iomax ·Rf=1V 。这就意味着当电流控制字为4000时，对应D/A 转换器输出的电压值Ui 为1V 。于是可求得D/A 转换器满幅值为

4095/4000=1.02375 (V) (1)

此值就是TLV5618的参考电压值。通过精密多圈电位器RP1调节很容易得到这数值。

于是，不难推出输出电流

I 0

与电流控制字的表达式

)(5001

K

11

110

i

i

n

REF

F

2D 22U R I mA i i

i

i D ∑∑===-∙=

（8.3.6） 由8.3.2节的分析可知，这一部分性能好坏，直接影响系统的技术指标是否可以满足，下面就电路中关键的几个元器件进行讨论。

1） 采样电阻的选择

采样电阻的选择十分重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。例如，锰铜线制成的电阻，温度系数约5ppm/℃。另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升，可以通过减小载流量和增加散热面积来避免因温度过高导致采样电阻值发生变化。在条件允许的情况下，还可以采用风冷的办法解决。另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R=0.5Ω。

2） 调整管的选择

由于稳流电源的输出电流全部流经调整管，因此调整管上的功耗将会很大，必须选择大功率的晶体管来做调整管。为了与误差放大器更好地匹配，我们采用由一只三极管8050和功率管MJE8055组成的复合管结构，MJE8055的最大输出电流可以达到8A 。

通常调整管承受的电压和流过的电流时变化的，在极限情况下，即最小输出电压和最大输出电流时，为了防止调整管上的功率损耗不致过大，又要防止它进入饱和状态，最好采用稳流电源的输入电压随其输出电压的改变而进行调节，使调整管的集——射电压保持不变，但由于时间和条件的限制，本设计中没有采用。

3）误差电压放大器

电流稳定度与放大器有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。例如，若要求电流源的稳定度小于

10

4

-，则放大器的放大倍数要大于10000。现有的集成运算放大器基本上都能

够满足这一要求。

本设计选用TL082作为误差放大器，其具有：