高效数控恒流源设计报告(最终版)

一、总体方案设计
1、Hale Waihona Puke Baidu案论证与比较
（1）恒流源电路方案 方案 1：采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，经 MCU 处理后送入 DAC 将其转换 为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值，再经过 ADC 转换送回单片 机， 与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法， 调整输出电流值使其与设定电流值相等， 从而构成闭环控制系统。 方案 2：采用硬件闭环控制。硬件的闭环稳流的典型电路如图 1 所示，根据集成运放的 虚短概念，可得到： IL Vi/R1 式中 IL 为负载电流，R1 为取样电阻，Vi 为运算放大器同相端输入信号。 若固定 R1，则 IL 完全由 Vi 决定，此时无论 Vcc 或是 RL 发生变化，利用反馈环的自动调 VCC 节作用，都能使 IL 保持稳定。 V+ RL 方案 1 最大的问题是：若输入电源电 2 压或负载发生变化，都需要经过一段时间调 T 1 Vin 3 整后才能使电流稳定。而方案 2 硬件电路不 仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出， VR1 故本系统采取方案 2。 GND 图 1 硬件闭环稳流电路 （2）DC/DC 电压转换电路方案 最基本的斩波电路如图 2 所示，斩波器负载为R。当开关S合上时，Uout=Ur=Uin，并持续 t1 时间。当开关切断时Uout＝Ur＝0，并持续t2 时间，T＝t1＋t2 为斩波器的工作周期，斩波器 的输出波形如图 1（b）所示。定义斩波器的占空比D＝t1／T，t1 为斩波器导通时间，T为通 断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1 不变，改变T； 二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从 0 变到 1 时，输出电压的平均 值从零变到Uin，也就是说输出电压可随D而改变。
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2
S R Uin Ur
+
-
( (a) (b) 图 2 降压斩波电路原理 在高频稳压开关电源的设计中， 普遍采用的是脉宽调制方式。 因为频率调制方式容易产 生谐波干扰，而且其滤波器设计也比较困难。 ，升压式（Boost） ，单端正激式，单端反激式，双管 DC/DC 变换器有：降压式（Buck） 正激式，双管反激式，半桥式，全桥式，推挽式等多种典型变换电路。虽然 DC/DC 转换电 路很多种，但都具有各自不同的特点： Buck 和 Boost 电路虽然效率较高但不能同时实现降压和升压的双重功能。基于题目要 求，电源部分需同时具有升压和降压的功能，故这两种电路此处不可取。兼有升、降压功能 的 Buck‐Boost 电路要满足 8~20V 的要求颇为不易。 双管正激式、 双管反激式、 半桥式、 以及全桥式 DC/DC 变换电路适合于大功率等级 （200W 以上）的电路，不太适合小功率电源电路。由本题设计要求：恒流源输出最大电压 10V 且 输出电流范围为 20~2000mA，即输出功率最大值为 20W，属于小功率电源。因而以上电路 不适合本设计。 推挽式隔离变换电路，使用两个管子进行推挽，变压器采用中心抽头连接，二次侧也是 两相半波整流，因此相当于两个正激式变换电路在工作，这类变换电路较复杂，综合考虑本 设计不使用该电路。 单端反激式单管变换器的电路，其输出的纹波电压比较大，若要减小纹波，需要加入复 杂的滤波电路。本设计不采用该电路。 单端正激式变换电路因为其使用无气隙的磁芯，铜损低，感量较高，变压器的峰值电流 较小， 输出电压纹波低。 适用于低电压大电流的开关电源， 多用于 150W 以下的小功率场合。 综上所述，由于正激式开关电源电路结构简单、功率密度较高。所以本设计电源部分采 取此电路。
8V 1 2
16 15 14 13 12 11 10 9
1
12V 1 3
图 4 DC/DC 电源原理图 根据在稳态条件下电感 L2 两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理，在电感 电流连续的条件下，可以推导出输入、输出电压与开关通断时间的占空比（占空比为 d）的 关系为：Uo/Ui=d/(1‐d), 故通过改变开关管的占空比 d 可以控制输出平均电压的大小，当 0<d<1/2 时为降压，当 1/2<d<1 时为升压，即可实现升压和降压的功能。而 SG3525 根据变压 器幅边反馈的电压信号调整输出 PWM 控制信号的占空比。 SG3525 控制产生的 PWM 波的频率 f 可由外接电阻和电容确定，其计算公式为： f= 1/Ct(0.67Rt+1.3Rd) 其中 Ct 是 5 脚接出到地的充电电容,Rt 是 6 脚接出到地的时基电阻,Rd 是 5,7 脚间的放电 电阻。本系统设置 f 为 99.50（kHz） ，取 Ct=1000p，Rt=15K，Rd=0。 （3）开关管的选择 开关电源中的开关晶体管是影响电源可靠性的关键器件， 主电路中用作开关的功率管主 RDS 直接影响开 要有双极性晶体管和 VMOS 两种。 开关管的一个重要参数就是导通电阻 RDS，
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三、分析计算和电路实现 1、DC/DC转换电路部分
（1）单端正激式电源变压器选择和计算 单端正激式开关电源变压器是单向激磁， 要求磁芯脉冲磁感应增量大， 但是变压器初级 工作次级也同时工作，因此计算方法和步骤与双极性开关电源接近：初级绕组匝数 N1 计算 式为： N1=Vp1×tk×102/ΔB1A 其中：VP1 是变压器最低输入额定电压幅值，此电源标称为 8V；tk 是开关管导通时间， 此电源设定为 4us；ΔB1 为脉冲磁感应增量，此电源设定为 0.2T，A 为磁芯截面积，所选磁 材为 PC40EPC10‐Z，其截面积为 9.39×102cm2。根据上述所选值求得 N1=13。次级匝数要保 证此时的电压≥12V，即 N2=19。 （2）SG3525 控制电路分析与计算 单端正激式开关电源，电路原理图如图 4 所示，硬件电路结构简单。由 SG3525 控制芯 片产生 PWM 波，驱动开关管 IRFZ44N，输出电压经采样后，送至 SG3525 的 1 脚，即误差放 大器的反向输入端，若输出电压偏高，采样反馈的电压也偏高，与 SG3525 中误差放大器的 基准电压比较后电压偏低，导致占空比下降，从而使输出电压下降。反之亦然，如此形成闭 环控制。R10 是可调电阻，通过调节 R10 就可调节输出电压。
（2）输入电压范围：8V~20V；效率≥80%。 （3）具有过压保护功能并声光报警：动作电压 Uoth=11+0.5V； （4）具有输出电流的测量和数字显示功能。
2、本系统设计扩展功能：
（1）输出电流范围：20~2000mA； 步进可达到 1mA； （2）具有软件启动功能； （3）输入电压范围扩展到 8V~20V； （4）具有掉电保持功能：电流源可存储掉电前工作电流值。下次上电时可按照掉电 时最后的电流值工作。 （5）另外电路扩展稳压源模块，可实现稳压输出 1~5V。 （6）声光报警
R9 1.2K R10 10K
7808 C16 220u/25V R3 J1 1 2 3 Header 3 R2 3.6K R1 15K C2 102 + C1 470u/25V 3.6K U1 1 INT IN Vref 2 NOR IN Vcc 3 SYNC OUTB 4 OSC VC 5 CT GND 6 RT OUTA 7 DISC SHUT 8 SOF COM SG3525 + C3 1uF R4 3.9K + 200/2w R11 2 SDR UF4005 T1 Q1 R5 10/1W C4 104 C5 104 R6 10K C6 104 C7 684 IRFZ44N R7 20K STPS30L60CT Trans Cupl R8 100 D2 D2 + C8 470u/16V C9 103 L2 10uH + C10 100uF +12 2 1 Vin Vout GND
2、系统设计框图
系统总体框图如图 3 所示，输入电压经 DC/DC 转换电路后输出为恒流源电路、单片机 控制系统以及恒压源电路提供电源。 恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。 单片机系统完 成人机交互功能，用户通过键盘设定输出电流值，经 MCU 处理经 DAC 转换为控制电压，传 入恒流源电路，从而控制输出电流的大小。同时在 LCD 上显示系统的相关信息。此外系统 中也扩展了恒压源电路。
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关电源输出损耗。本系统采用的 VMOS 管 IRFZ44N 的 RDS 只有 17.5mΩ，经实测，在饱和状 态下其管压降可以降到 0.02V，其功耗非常低。因此选择 VMOS 管有利于提高电源效率。 （4）整流管的选择 功率肖特基二极管由于正向压降低、功耗小、开关速度高，在主流低压带电流领域得到 广泛应用。 但低压降小功耗是以低势垒为前提的。 较低的势垒高度会使器件反向漏电流增加， 最高工作温度降低， 因此选择合适的势垒高度是很重要的。 为解决功率肖特基二极管的正反 向特性之间的矛盾，本设计选择的整流管 STPS30L60 对此加以改进，既具有低压降，又有较 小的方向电流。其等效电路为两个整流二极管的并联如此可将正向导通压降降低到 0.56V， 同时其正向导通电流可增大到 2×15A。其开关速率可以达到 10000V/μs。可以达到本设计 PWM 波 99KHz 的要求。
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Uin
DC/DC
负 恒流源 载
变换
恒压源
D A C
ADC
MSP430F149 单片机
键盘 LCD 显示
图 3 系统总体设计框图
二、功能描述 1、题目要求功能： （1）能数字设置并控制输出电流，最大输出电压 11V，输出电流范围 200~2000mA；
根据题目要求选择合适的元器件很重要。
+VCC +5V
C20
稳压输出 0~10V
R3 W4 10k +12V GND +5V 240*128 LCD 100u/16V GND C21 C23 104 100u/16V C22 104 +5V LED R19 2k R16 2K D3 LM336-2.5V + C10 104 C13 6 2.1V 1 VREF 7 DIN 2 OUTB SCLK 3 /CS OUTA 4 8 +5 U2 TLV5618 5 W3 RL1 104 C14 10u/25V + BUZZER Q3 9014 TP3 A 1k
代码：LG-3-本-D
2010 年 TI 杯四川省大学生电子设计竞赛
设计报告书
设计题目：高效数控恒流电源（D题） 参赛队代码：LG-3-本-D 竞赛时间： 2010‐7
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高效数控恒流电源（D 题） 摘要
本数控恒流源系统主要由恒流源控制电路、DC/DC变换电路和单片机控制部分三个功能 模块组成。恒流源控制电路由硬件闭环稳流电路实现输出电流的稳定控制。DC/DC转换模块 采用单端正激式DC/DC变换电路，可实现降压和升压的功能，扩大输入电压范围至8‐20V。 单片机控制模块以MSP430单片机为控制核心，结合键盘、DAC和LCD实现系统的控制和显示 功能。
2、恒流源电路部分
（1）具体电路分析 电路原理图如下图 5 所示， 主要由采样电阻， 12 位 DAC 芯片 TLV5618 和控制运放 LM258， 以及大功率管几部分组成。大功率管实现扩流，12 位 DAC 输出控制电压送到运放同相输入 端，根据运放虚短的概念，运放的反相输入端电压将等于控制电压，采样电阻的电压经 20 倍放大后连接到运放反相端， 从而实现电压控制采样电阻的电压， 进而控制采样电阻的电流， 即控制恒流源输出电流。由于电流设置分辨率为 1mA/2000mA=1/2000，12 位 DAC 芯片 TLV5618 的分辨率为 1/4096，满足设计要求。