高效数控恒流源设计报告(最终版)

3、单片机控制显示
（1）MCU 的选择 由于电流设置分辨率为 1mA/2000mA=1/2000，故 ADC 和 DAC 的分辨率必须≥1/2000， 即 DAC 和 ADC 的位数必须在 11 位以上。为保证精度，通常选用 12 位的 ADC 和 DAC，外接 ADC 将使电路变复杂。市场上 MCU 种类繁多，TI 公司的 MSP430F149 单片机是使用比较广 泛的一款单片机，其内部含有 60K FLASH 以及 8 通道 12 位 ADC，正好满足本系统 4 个通道 的要求。加之其低功耗设计也有利于提高电源效率。故本系统采用 MSP430F149 单片机作为 控制芯片。 （2）键盘扫描和 LCD 显示 键盘扫描选用键盘管理芯片 ZLG7290，通过 I2C 串行接口，可方便地与处理器连接。其 一共可扫描 64 个按键，本设计采用 4×4 键盘矩阵。单片机接口以及键盘、而低功耗必须采 用 LCD 显示器。连接电路如图 6 所示。
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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/Δ B1A 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；Δ B1 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。
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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。
代码：LG-3-本-D
2010 年 TI 杯四川省大学生电子设计竞赛
源自文库设计报告书
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、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
根据题目要求选择合适的元器件很重要。
稳 压 输 出 键 盘 小 系
图 5 恒流源电路 （2）采样电阻 R 的选择 对电阻而言，减额因子：S=实际功率/额定功率≤0.5，因此电阻的功耗 I2R 应尽量小， 同时应避免温度过高引起阻值变化过大使得输出电流值产生偏差。 鉴于以上考虑， 此电路选 用 0.1Ω/10W 的电阻。为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电 路将 4 个 0.1Ω/10W 的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。
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 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， RDS 直接影响开
（3）运算放大器的选择
由于此电源系统不提供负电压，所以必须采用单电源运放，本设计采用 LM258。其
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统
输入电压范围 0.3~32V，输入失调电压 2~5mV，满足精度要求。 （4）功率管的选择 常见的电流源多采用达林顿管和 VMOS 管两种， 经过实际实验检测， 达林顿管的管压降 在 0.8V 左右，而 VMOS 管的管压降只有 0.02V 左右，考虑到提高电源效率问题，本电路采 用 VMOS 大功率管。 (5) DAC 与控制电路的配合 TLV5618 的输出电压为 UO=2×VREF×DIN/4096，当 VREF=2.084V，DIN=4000 时，UO=4.000V， 恰好满足 IL=2.000A 时，反馈电压=4.000V 的要求。
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。
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( (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。 DC/DC 变换器有：降压式（Buck） ，升压式（Boost） ，单端正激式，单端反激式，双管 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。
一、总体方案设计
1、方案论证与比较
（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 节作用，都能使 IL 保持稳定。 方案 1 最大的问题是：若输入电源电 压或负载发生变化，都需要经过一段时间调 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， 故本系统采取方案 2。 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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负 恒流源
Uin DC/DC
载
变换
恒压源
D A C
ADC
MSP430F149 单片机
键盘 图 3 系统总体设计框图 LCD 显示
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；
（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、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。