多路输出程控恒流源设计

  恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源。现代电子技术的广泛应用，促进了对恒流源的需求。在LED照明应用中，LED对电流的敏感度高，因此，性能良好的恒流源可以极大地提高LED的使用寿命，本文主要介绍了一种多路输出程控恒流源系统的设计和实现。该恒流源每一路输出电流在O～3．5 A可选，可满足多种使用需求。

1 程控恒流源电路设计
    该系统采用3路恒流源并联输出结构，每路电流输出大小可以独立控制，并由自己独立反馈控制回路，能自行稳定其输出电流。电流输出形式多样，可以3路同时工作，每路输出电流大小保持独立；在长时间工作时，也可以3路分时工作，以避免电路元件工作在长时间、大电流状态下疲劳性损坏。此外，多路电流并联输出结构，可以在单路烧毁的情况下使用余下通道，从而不至于影响整个系统。同时，采取每通道模拟部分单独成PCB板，可以适应通道扩展要求。
    本文所提出的程控恒流源是以单片机为核心，通过与电压电流转换电路相结合的方法，实现电流可预置、可连续调节的功能，该系统主要包括两大部分：数控模块和直流电源模块。本设计的系统结构框图如图1所示。

1．1 直流电源模块的设计
    该恒流源采用Buck电路，前端采用电源模块输入，电路简单，易于控制。Buck电路是应用很广泛的降压电路，主电路由不受控整流管、电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧由开关管的通断实现对输入电压的斩波；输出侧由电感、电容组成二阶滤波网络，可以减小输出电压、电流纹波。

    图2中，当开关管导通，整流管截止时，忽略开关管的导通压降，电感L两端的电位为VIN和输出电压VO，且近似保持不变，故电感电流线性增加，此时在电感中储存能量。若电容C两端的电压比输出电压略低，则电源还需为电容充电，在电容中储存一定的能量。此过程负载消耗的能量由电源提供。一旦开关管变为截止，整流管导通，电感L中的磁场将改变其两端的电压极性，以保持其电流方向不变。忽略整流管上的压降，电感L两端的电位变为零和VO且近似不变，电感L中的电流线性下降，其中储存的能量提供给负载。同时，当VO有所下降时，电容C也为负载RL提供部分能量。可见，这一过程负载RL消耗的能量由电感L和电容C提供。总之，Buck变换器就是用电感L和电容C作为储能组件，将能量以离散的形式由输入传到输出。其中，控制芯片提供反馈控制用以实现恒流输出。
    Buck调整器可工作于连续和不连续模式下，但是Buck型输出滤波器的拓补会在不连续模式下出现问题，因此，对该滤波器的拓补，电感选择应保证直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。直流电流等于电感电流斜坡峰峰值一半时对应临界连续，所以
   

    其中，Vin是输入电压，Vout为输出电压，fs是开关频率，因为该电路对纹波要求高，选择了L较大，为10 mH。
    滤波电容C的选择取决于纹波电压的大小，而纹波大小又由电容ESR和电感电流纹波△IL决定，所以要选取合适的COUT，以最小化电压纹波和负载瞬态值。通常情况下，电容的取值可由以下公式获得：
   

    Ion是输出电流，Vor是纹波电压。[!--empirenews.page--]
1．2 程控模块设计
    XCl64CM片机是德国SIEMENS公司推出的增强型16位单片机，其结构新、性能强、编程简单、适应性强。该单片机能提供精度为8位或10位，集成采样和保持电路的模数转换器(ADC)；拥有PWM产生模块，在不同的工作模式下可灵活产生PWM信号或记录事件，使恒流源电路简化，利于电路控制。XCl64CM含2个高速同步串行接口，支持高达20 Mb／s(模块工作时钟为40 MHz)的全双工和半双工串行同步通信。
    XCl64CM最大的优点就是：内部CCU单元使电源的外部硬件电路大大简化，其强大的运算能力可以完成如电压采样信号处理更为有效复杂的算法，非常适应于电源功率变换领域。
    程控模块主要由包括LED数字显示、编码开关、串口通信等功能的单片机系统组成。模块的主要功能是按给定的电流值，提供调节输出电流所需的PWM波。
    程控模块采用编码开关输入方式，设置给定的电流值并通过LED数码管显示，该系统也可通过RS232串口进行远程控制电流设置与通道输出。单片机经过运算，调节输出PWM信号的占空比，实现对恒流源输出电流的控制和精确调节。
    显示电路采用普通4位数码管实时显示，用芯片MAX7219驱动数码管。MAX7219是一个高性能的多位LED显示驱动器，可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。
    MAX7219仅需3个串行端口DIN、CLK、LOAD实现与单片机的通信。
1．3 信号采样调理电路
    信号采集调理模块包括采样电路、信号调理电路和过电流保护电路。测试回路的电流进入信号采集和调理电路，在信号采集和调理电路中对电流信号通过电阻采样，进行I／V转换变成满足A／D输入范围的电压信号。过流保护电路在电路故障时启动。
    信号采集通过电阻分压的方式采集输出电压，通过后端电阻的I／V转换，可以采集实际的输出电流。采集的模拟电压，经放大器LM358，输入单片机的AD输入口，与基准电压相比较，用PI算法控制PWM的脉冲宽度，调整占空比，实现恒流输出，电路如图3所示。

    在电流输出端接上采样电阻，由电流输出端采集到的经分压处理后得到采样反馈信号，信号经由运放后送入单片机。单片机ADC模块对信号进行A／D转换，获得的电流值送入LED显示。
1．4 PWM驱动电路
    XCl64CM系列中的几款产品具有捕获比较单元6(CAPCOM6)，该单元由带有3路捕获／比较通道的定时器T12和带有1路比较通道的定时器T13组成。T12的各通道既能独立产生PWM信号或接受捕获信号，也可共同产生驱动交流电机或逆变器的控制信号序列。
    在该电路中采用了MC34152，该器件是双转换高速驱动器，专门设计用于连接低电流数字电路与功率MOSFET，具有低输入电流，可以与互补型金属氧化物半导体(CMOS)和晶体管-晶体管逻辑(TTL)电路相容，并且具有完全适合于驱动功率MOSFET的2个大电流推挽输出。它还包含滞后的欠压锁定以防止在低电源电压情况下发生误动作。具体框图如图4所示。

    从图4中可以看到，引脚2、4为信号输入端，引脚5，7为同相输出端，每个推挽电路驱动输出端的输出和吸收电流能够达到1．5 A。产生的PWM信号用光耦隔离，隔离电压冲击及噪声串扰串口通信电路。[!--empirenews.page--]

2 系统软件设计
    多通道恒流源系统软件共分为5个部分：初始化程序；通道电流设定、显示程序；电流闭环PI控制；过流检测关断程序。图5是控制软件系统的整体结构。

    单片机上电后先经过初始化程序完成各控制单元的初始化配置，初始化设置之后，程序进入模式选择，主程序在判断模式后，检测编码开关输入或远程串口输入，获得电流设定数据，通过单片机对输入数据进行处理，此时数码管显示设定电流值，此时，单片机再根据设定值，对应改变PWM波占空比，在电路工作过程中，一直对输出电流进行检测，通过PI调节方式，使输出电流与设定电流一致，控制输出电流恒流。软件实现闭环控制，当电流超过最大值时，系统进入中断服务程序。

3 测试结果
    测试结果如表1所示。

    测试数据表明，在0～3 000mA范围内，输出电流值与设定电流值误差较小，其变化均在允许范围内。说明恒流源的电源容量充足，由数控模块控制的恒流源模块线性良好，精度较高。
    在实验时，当电流超出允许范围，电路能迅速关断保护，说明电路保护措施良好，软硬件都工作正常。

4 结论
    该恒流源在实际测试中，恒流控制性能表现出色，达到了设计要求。
    实验证明，利用XCl64CM的强大捕获比较单元和AD单元简化了硬件电路，用多级保护隔离，提高了系统的抗干扰能力，过流保护迅速可靠，稳定性、重复性较好，并具有操作方便，显示直观等特点，使整个测试系统的工作性能达到了令人满意的水平。