1、3 l O第1 9 届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集数控恒流电源的设计张云波(山东科技大学信息与电气工程学院)摘要：本文采用电流串联负反馈原理，以负载电流作为反馈控制信号，以单片机为控制核心，设计了一种数字控制式恒流电源测试结果表明，该恒流源在负载电阻变化时，电流变化的绝对值 3 m A，纹波 l m A，相对误差 O 1 5，关键词：恒流源；单片机；电流反馈1前言恒流电源是为电流型负载提供稳定电流的重要仪器。常见的恒流源电路方案有脉冲调宽式、负反馈方式等。脉冲调宽式(开关式)恒流源通过改变调整器的工作脉冲宽度达到恒流的目的。目前广泛应用于空间技术、
2、计算机、通讯、家电等领域中。这种恒流源调整器工作在开关状态、功率损耗小、效率高达7 0,-一9 5，但纹波电流大，辐射干扰强、恒流精度低。线性负反馈式恒流源通过改变调整器的工作电压，使其输出电流保持恒定，具有失真小、稳定度高、纹波小等特点，但功率损耗大、效率较低，主要应用于高精度场合。本文利用电流串联负反馈原理，以单片机为控制核心对负载电流进行实时采样，构成电流反馈控制，从而提高系统的恒流精度和稳定度。同时，利用微处理器资源，提供友好的人机界面。系统主要由控制器模块、充电电源模块、键盘模块以及液品显示模块等构成。整体设计的方框图如图l 所示。图1 系统方框图2 输出及电流反馈电路设计第1 9
3、届全国堞矿自动化与信息化学术会议3 l l暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集输出及电流反馈电路是恒流源的关键部分，由负载电流构成电流负反馈，电路f 1 3 D A C、低噪声放大器A、采样电阻、调整管、负载电阻及精密多线圈电位器P 等组成。原理图如图2 所示。检测图2 输出及反馈电路原理图一q D A 转换器产生的模拟量U i 加在误差放大器的同向端，将电流反馈电阻R F 上压降作为电流取样引入运放T L 0 8 2 的反相输入端，恒流源输出电流I o 只取决于U i 和R F 的大小。即L 二惫毒=鼍n-I根据“虚短原理和u+=K u 脚D 1 2 知，输出电流与电流控制字的表达式
4、为i=OL=争器2 q=5 0 哑2 7(m A)-I X F一1t=0i=0采样电阻选择：采样电阻的选择十分重要，选择低温度系数的高精度采样电阻。另外，采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常都比较大，因而温度也会随之上升，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。采样电阻阻值取得大一些，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R F=5 1Q。调整管选择：电路中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。要选择大功率的晶体管作为调整管。为了与误差放大器更好地匹配，采用3 1 2第1 9 届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学(
5、北京)百年校庆学术会议论文集由一只三极管8 0 5 0 和功率管C 2 3 7 3 组成的复合管结构。误差电压放大器选择：系统中电流的稳定度与放大器的放大倍数有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数的关系，电流源的稳定度越高，放大器的放大倍数越大一般集成运算放大器基本都能满足要求。本设计采用T k 0 8 2 作为误差放大器，其具有：I 2 V u v(R L=2 k Q)，0 5V u V(R L=6 0 0 Q)的高增益；3 0 0 u V 的低输入失调电压；1 5 h A 的低失调电流；2 5 u V 低温漂；0 5 5 u V 的低噪声电压。由于负载端最高输出电压设计为1 2 V，复合调
6、整管U B E=I 4 V，因此误差放大器的最大输出电压为1 3 4 V，为防止放大器进入饱和区设计放大器的工作电压取为1 5 V。过热、过流、过压保护功能由三端稳压芯片L M 3 5 0 内部提供。3 控制电路设计微处理器是整个数控部分的处理控制中心，主要完成以下几个任务：(1)响应用户的按键操作，保存用户设定的电流值。(2)控制A D 模块按照一定的周期将采样信号数字化。(3)根据单片机的处理结果通过D A 模块转换为模拟信号，输出到恒流源差分比较器的正端，完成数控部分对恒流源的控制。(4)按照用户的需要显示相应的电流值。微处理器在考虑稳定和精密的基础上选用S i l i c o nL a
7、 b s 公司的C 8 0 5 1 F 0 2 1，其指令执行速度是8 9 c 5 1 系列单片机的1 0 倍以上；4 3 5 2 8 的片内R A M、8 通道1 2 位A D 和2 通道1 2 位D A转换器；有看门狗和电源管理功能等。更为重要的是通过核心模块的J T A G 接口可以实现对单片机非侵入式的、全速的在系统编程和调试，编程和调试更加便利，利于以后各种升级。键盘模块直接使用微处理器的通用I 0 口。显示模块选用M 3(7 2 1 9，串行接口，可以直接驱动8 位数码管。4 工作电源的设计系统中误差放大器电源电压需要1 5 V，C 8 0 5 1 F 0 2 1 需要+9 v，恒
8、流模块电路电源电压为+1 5 V，因此整个系统需要+9 V，1 5 V 三路直流电源。其中+9 V 电源最大负载电流为0 3 A，-1 5 V 电压最大负载电流为0 I A，+1 5 V 电压最大负载电流为0 5 A 电源电路为了得到较为稳定的电压，由交流2 2 0 V 市电通过变压，整流滤波后，由稳压集成电路L M 3 5 0 和7 9 1 5 分别输出+1 5 V 和-1 5 V 的稳定直流电压+g v 电压由+1 5 V 经三端稳压器7 8 0 9 稳压后提供。具体电路如图3 所示。5 软件设计主程序主要包含各器件初始化，键盘扫描，恒流充电模块其中恒流充电模块流程图如图4 所示。第1 9
9、 届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集3 1 3棚_图3 稳压电源电路图图4 恒流充电模块流程图6 恒流源实验数据(1)负载为1 欧姆时，测量数据如表l 所示。3 1 4第1 9 届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集表1 测量数据鬻喊值l 篙?专蝴值l 篙蝴值卜撕，卜差2 01 2 0 2 00 31 0 0 71 0 0 31 0 1 55 01 5 0 0 71 0 0 91 0 0 7l o 1 41 0 01 9 9 8 91 0 1 2h 1 1l-0 1 11 5 0i 1 4 9 7 81 0 1 5
10、卜2 2I-0 1 52 0 01 2 0 0 2 4l o 1 71 0 2 4O 1 22 5 01 2 5 0 311 0 2 01 0 311 0 1 2(2)负载为2 5 欧姆时，测量数据如表2 所示。表2 测量数据预设电础从，陋尹帅舶l 篙喊值绝对误差，l 相对误差2 01 2 0 2 0 0 81 0 3 30 0 81 0 4 05 01 5 0 1 71 0 3 5l o 1 7l o 3 41 0 01 9 9 7 3I o 4 l卜2 7卜2 7f 1 5 01 1 4 9 8 81 0 4 7h 1 2卜0 82 0 02 0 0 3 61 0 5 11 0 3 61
11、0 1 82 5 01 2 5 0 511 0 5 61 0 511 0 2 0上述测试数据表明，根据算法结果调整电流值。适应各式各样的负载，大大提高了恒流源的性能。利用此原理，用户按照自己的需要，增加相应的功能，很容易做出各种实用的高精度电流源。参考文献：1 童诗自，华成英模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，2 0 0 1 2 张俊谟S o C 单片机原理与应用基于C 8 0 5 1 F 系列北京：航空航天大学出版社 3】万光毅，孙九安，蔡建平等S o C 单片机实验、实践与应用设计基于C 8 0 5 1 F系列北京：航空航天大学出版社 4 鲍可进E 8 0 5 1 F 单片机原理及应用中国电力出版社 5 3 陈永真全国大学生电子设计竞赛试题精解选电子工业出版社 6 曲学基王增福，曲敬铠稳定电源基本原理与工艺设计北京：电子工业出版社，2 0 0 4 7 集成电路速查网刑d a t a s h e e t 5 C O a l
