基于單片機控制的多用途高效率智能電流源的研制

劉恒東 裴婉婉 孫慧琳

（大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622）

0 引言

伴隨著低壓直流用電設備的不斷增加和更新換代的今天，直流供電電源等設備也必將得到發展。恒流源可以廣泛應用于電子負載、充電器等生產場合，市場前景廣闊。隨著電子技術的發展、數字電路應用領域的擴展，現今社會，人們越來越追求產品的智能化，對于電子設備，精密度穩定度是最重要的。性能好的電子設備，首先離不開穩定的電路，電源穩定度越高，設備和外圍條件越優越，那么設備的壽命更長。基于此，人們對智能恒定電流器件的需求越來越迫切，當今社會，數控恒壓技術已經很成熟，但是恒流方面技術剛剛起步且有待發展，高性能的可調智能電流源器件的開發和應用存在巨大的發展空間。本項目是基于（ZL200710012396.1）發明專利《用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置》[1]的應用研制。研制出一種由單片機控制的高效率智能電流源，穩定輸出可調電流源，可實際應用于需要高效率高穩定度低功耗恒流源的領域。

1 電路設計

實現單片機控制的智能可調電流源，單片機的控制和恒流源的實現是核心的兩部分，通常采用通過單片機通過按鍵控制DA輸出給定電流，恒流源工作，達到穩定的直流，單片機進行檢測，反饋調節，使整個系統成為一個完整的閉環。

圖1 系統框圖Fig.1 The system block diagram

1.1 恒流源的設計

1.1.1 恒流源電路原理分析

恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應該具有以下特點：不因負載(輸出電壓)變化而改變；不因環境溫度變化而改變；內阻為無限大（以使其電流可以全部流出到外面）。能夠提供恒定電流的電路即為恒流源電路。現在技術上基本上采用壓控恒流源。

圖2 壓控恒流源Fig.2 VCCS

Q1為電流給定調整管,R3為電流取樣電阻，R1提供基準電壓Uref來控制給定電流的大小。通過R3兩端的電壓的大小，來調整場效應管Q2的開關量。如果負載RL減小，IL增大，則U(R3)變大，Q1開關量減小，從而使IL降低，反之，則IL升高。實現了電壓控制恒流。

1.1.2 問題的提出與解決

在上述電路中，存在以下問題:其負載電路和控制電路都來自于統一回路，因此，負載兩端的壓降受到控制電路的供電電壓的限制；單純依靠場效應管的打開和關斷實現電流的閉環控制，電流給定調節管功率很大，導致效率降低。為了解決這些問題，兼顧精度、效率、成本、功率、負載阻抗變化，研制可以高穩定的隨時調節的電流源裝置 ，采用將電流給定控制部分、控制開關部分和負載與負載電源控制部分三個電源回路分開，互不干擾，在開關管Q1和降壓續流電路的作用下，將負載回路多余能量的損耗減小，可以有效地減小電流調節管損耗大的問題以及控制電路受負載回路電壓影響的問題[1]。

電路構成如圖圖3所示。Q1為開關調整管,34063為脈寬調制控制器[2]，L1為儲能元件 ,減小開關器件的導通損耗和開關損耗是提高電路效率的關鍵。為此,器件選擇飽和壓降小、頻率特性好的場效應管和肖特基續流二極管。

圖3 采用開關電源的恒流源及過壓保護電路Fig.3 The adoption of constant current source of switch power supply and over-voltage protection circuit

電流給定控制部分：由 IC1(OP07),R17，R12，D6，C4，Q2，R14(電流取樣電阻)構成電流給定控制部分，此處的電源可以為正負電源或單電源，實現根據需要隨時調節負載上的電流。此部分的電流給定懸浮在負載R11，C3之上，不受負載回路供電電壓和負載兩端的電壓的變化，本圖中可用手動調節滑動變阻器R17來調節電源回路中的電流。

控制開關部分：由IC2，34063等部分組成，由該電路產生的PWM信號通過光電或磁電隔離，控制開關，使其不受負載兩端電壓變化的影響，也不受開關電路所用電源電壓的影響。此處的PWM電路可以使用34063.這部分的功能電路懸浮在負載回路的降壓續流的電路之上，既不受負載回路電壓變化的影響，也不會因負載兩端活負載電源電壓的變化而受到電流給定控制回路的影響。當電源電壓降低或負載電阻 RL降低時 ,則取樣電阻 RQ上的電壓也將減少 ,則34063的 1、8管腳輸出方波的占空比增大 ,輸出電壓和將其電壓的變化變成占空比不同的光信號,輸出隔離電路將光信號變成電信號控制開關管Q1導通時間變長,使RL兩端電壓回升到原來的穩定值。Q1關斷后,儲能元件L1保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起 RL兩端電壓增大時 ,原理與前類同 ,電路通過閉環反饋系統使RL兩端電壓下降到原來的穩定值,從而達到穩定負載電流IL的目的。

負載和負載電源開關部分：由負載R5、C3，負載電流調節管Q1，降壓續流電路、開關管Q2，供電電源組成。其中，降壓續流電路，由電感L，電容C，二極管組成，用于在開關的作用下降壓，并在降壓的過程中將所消耗的電能變成磁能，如果開關關斷，可以將磁能變成電能送給負載。這樣能夠有效地增大效率。

1.2 過壓保護電路

過壓保護是加在被測電源設備中，旨在檢測被測電源設備是否過壓和保護恒流電路。它利用運放的比較作用，使過壓后指示燈亮起，來得知電源過壓。在本研究中，為了達到過壓保護作用，從負載端分壓引入運放負端，運放正端接入參考電壓，以小燈指示是否過壓，如果過壓，切斷Q2。如圖3。

1.3 DA 輸入電路

本系統采用TLV5618作為恒流源的電流給定部分[4]，TLV5618是美國TexasInstruments公司生產的帶有緩沖基準輸入的可編程雙路12位數/模轉換器，DAC輸出電壓范圍為基準電壓的2倍，且其輸出是單調變化的。該器件使用簡單，用5V單電源工作，并包含上電復位功能以確保可重復啟動，帶有斯密特觸發器，帶有高的噪聲抑制能力，并為3線串行接口。因此，恒流電路的D/A轉換部分采用該芯片實現。電路圖如下：

圖4 D/A轉換電路及顯示電路Fig.4 D/A conversion circuit and display circuit

1.4 顯示模塊電路

本系統選用12864液晶屏，液晶屏能最多顯示16×4個英文字符或8×4個中文字符，提供可選的8位、4位并行接口及串行接口。通常選用串行接口就能滿足數據傳輸速度的需求，節省了數據線引腳。如圖4。

1.5 按鍵控制電路

本系統需要6個功能按鍵，其中包括系統板上自帶的復位鍵，采用了低電平中斷觸發方式。在硬件設計上需要將所需要的按鍵接到MSP430微控制器的外部中斷端口上，另一端接到電源地即可實現，設計簡單，在此不作詳細說明。

2 軟件設計

本系統涉及按鍵給定電流，電壓電流實時檢測，顯示部分，主要用到單片機的以下程序：模數轉換，按鍵子程序，顯示子程序，數模轉換等。流程圖如下：

圖5 軟件流程圖Fig.5 The flow chart of software

3 測試結果

3.1 測試方案

本實驗在實驗室測試。有兩項測試：一是單獨測試恒流源：改變負載R6的大小，用萬用表測試恒流源輸出，與單片機AD檢測顯示輸出電流進行比較。二是作為電子負載進行測試：改變被測電源的大小，用萬用表測試恒流源輸出，與單片機檢測顯示輸出電流進行對比。

3.2 測試數據

經過測試，本成果在調節負載和被測電源時可以實現很好的恒流功能，設定過壓保護為18V，測試數據如下：

表1 當調節負載阻值時的電流變化Tab.1 The current changes when Adjustting the load resistance

表2 調節被測電源的電壓時電流變化Tab.2 The current changes when the power supply voltage being measured

3.3 測試結果分析

根據以上測試結果可得到：本系統實現了基本的恒流源功能。并能通過按鍵達到單片機控制，效率高，穩定度高。輸出電流可在0mA-2000mA范圍內任意設定，不隨負載和環境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍±1mA，最終的檢測數據由lcd1602顯示，方便使用者進行觀測。本系統還可運用單片機控制DA輸入達到脈沖充電的效果，通過實時觀察充電電流和電壓，可以及時掌握充電過程和預測充電時間；研究專業的電子負載，為電源廠商提供強大的測試環境。

4 結論

本文給出了一種作為可調恒流電流源作為充電器和電子負載使用的電路實現，能夠達到高效率，多用途，有較高的實用價值和經濟效益，同時也能推廣到其它行業，創造巨大的經濟效益。

[1]劉恒東,陳猛.用負載懸浮控制電路的可調電流源裝置[P].中國:CN 101122803 A,2008-02-13.

[2]張占松,蔡宜三.開關電源的原理與設計修訂版[M].電子工業出版社,2004.

[3]王麗,康洪明.高精度程控電流源的設計[J].儀表技術與傳感器,2012(07):106-110.

[4]陳德俊,王玉山.基于單片機數控電流源設計[J].電源世界,2009(09):30-32.