原创推荐|数控恒流源设计

admin · 发表于 2019-10-17 16:25

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文 / 翼飞DIY（士兵）
本文选自电源网论坛—【风采汇】+ 数控恒流源设计

一、设计方案工作原理

1、预期实现目标及系统工作原理

本题要求设计并制作一台数控直流电流源。输出电流可通过按键进行设定，利用A/D转换器采集输出电流与负载电压，通过显示器显示设定电流值、实际电流值、实际电压值等电源参数。系统结构如图（1）所示，系统分为数字控制器模块、按键模块、显示模块、功率模块、信号处理模块等。

图（1）系统结构框图

2、技术方案分析比较

（1）电流源的论证与选择
由于电流源是本系统的重要核心，其性能的好坏直接影响控制系统的精度，所以进行多种方案的比较。

方案1：使用TPS5430开关电源芯片构成电流源，利用数字电位器，控制输出电流的大小。
优点：电路结构简单，自带闭环控制，电路效率高达90%左右；
缺点：其输出电压最小为1.221V，电源纹波较大。

方案2：使用三极管、运算放大器等分立器件构成电流源，通过D/A转换器控制输出电流大小。
优点：所构成的电流源属于线性电源，输出纹波低；
缺点：电路效率低。

综合考虑，因题目并没有对电源效率做要求，故最终采用方案2，利用三极管、运算放大器等分立器件构成一个可调稳压电源，由于单独的一只三极管对功率的放大作用有限，所以使用2只NPN三极管构成NPN型达林顿管。利用单片机对D/A转换器进行控制，D/A转换器的信号进过放大后加至达林顿管基极，经过测试，满足系统的设计要求。

（2）辅助电源的论证与选择
本系统控制部分需要单独的辅助电源，而且对电源质量有严格要求。

方案1：利用变压器的辅助绕组，经过整流、滤波后，再送入三端稳压器稳压，得到辅助电源。
优点：输出纹波低，电源质量高；
缺点：电路效率低。

方案2：采用开关电源芯片构成稳压电源，作为辅助电源。
优点：电路效率高，重量轻；
缺点：电源纹波与噪声较大，对系统干扰大。

综合考虑，最终选用方案1，利用变压器的辅助绕组，经过整流、滤波后，再送入三端稳压器稳压，得到辅助电源，而且线性电源本身纹波及噪声较小，能够保证质量较好的电能提供。通过实验，满足系统设计要求。

（3）系统控制芯片的论证与选择

方案1：采用MSP430作为主控芯片，对系统进行控制及运算处理。
优点：功耗低；
缺点：MSP430属于16位单片机，运算速度较慢。

方案2：采用STM32F103作为主控芯片，对系统进行控制及运算处理。
优点：运算速度快，内部外设丰富；
缺点：功耗较大。

综合考虑，最终选用方案2，因为题目并没有对功耗做要求，所以使用已有芯片，控制较好，满足系统设计要求。

（4）电流检测论证与选择
由于本电路需要精准的电流控制，因此精准的电流检测是必不可少的。

方案1：康铜丝作为检流器件，使用TI的电流检测器IN28X进行放大，再加入电压跟随器。
优点：电路简单，检测精度高；
缺点：对检流电阻、分压电阻精度要求高，成本较高。

方案2：采用高精度军工电阻进行采样，使用OP177进行采样信号放大，将放大后的信号送入A/D转换器。
优点：成本低，检测精度高；
缺点：对检流电阻精度要求高，电路相对复杂。

综合考虑，最终选用方案2，通过实验，满足系统设计要求。

（5）A/D、D/A选择论证与选择

方案1：使用12位外部A/D、D/A器件。
优点：参考源可精确设定，转换精度高；
缺点：成本高，外加了电路模块。

方案2：使用单片机内部的A/D、D/A。
优点：不需要外加设备，控制精度较高；
缺点：无法设定精准的基准源。

综合考虑，最终选用方案2，STM32F103自带12位A/D转换器，D/A采用MP4725轨至轨D/A转换器，通过实验，满足系统设计要求。

二、核心部件电路设计

1、关键器件性能分析

（1）主控制器：采用STM32F103C8T6作为主控芯片，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C。

（2）整流器：主电源其最大工作电流为2A，若采用普通整流桥，损耗较大，发热也大，所以主电源采用肖特基二极管构成整流桥；辅助电源工作电流较小，采用普通整流桥即可。

（3）三极管：三极管采用D882与D1047构成达林顿管，D1047功率可达100W。

（4）D/A转换器：D/A转换器在本系统当中非常重要，决定了系统的控制精度，根据系统要求，需要选用12位的D/A转换器，系统所采用的D/A转换器为轨至轨输出的MP4725。

2、电路结构与工作原理

（1）电源输入滤波电路
CA1、L1、CA2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对后级滤波电容充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。

图（2）电源输入滤波电路

（2）电流源电路
电流源电路由变压器、整流模块、滤波模块、电源变换模块构成。变压器使用环形变压器，其漏磁少，磁路闭合好；整流模块采用肖特基二极管构成，以降低电路损耗；滤波器采用4个3300μF的电容构成低频滤波，同时降低了ESR值，采用一个100pF的电容做高频滤波；电源变换模块由D882与D1047构成达林顿做调整管，TL082构成硬件反馈回路，实现硬件稳压，如图（3）、图（4）所示。

图（3）主电源整流电路

图（4）线性电源变换电路

（3）辅助电源电路
辅助电源由变压器、整流桥、滤波器、三端稳压器构成。本系统主要使用+5V、+15V、-15V，所以采用7805、7815、7915既可以实现，而且线性电源本身纹波及噪声较小，能够保证质量较好的电能提供，如图（5）、图（6）所示。

图（5）辅助电源整流电路

图（6）辅助电源稳压电路

（4）信号调理电路
信号调理电路如图（7）所示，由TL082构成跟随器，然后送入同相比例放大器进行放大，然后再控制调整管。我们所使用的D/A转换器输出范围为0V-3.3V，这个信号不足以完全控制调整管，将信号进行2倍放大即可。

图（7）信号调理电路

（5）数字控制电路
数字控制电路由显示模块、D/A模块、主控芯片、按键电路组成，如图（8）所示。

图（8）数字控制电路

三、系统软件设计

1、程序功能描述

本系统使用STM32F103C8T6作为主控芯片，对硬件电路的相关参数进行测量，接收A/D送入的信号并进行处理，实现电流、电压的检测，通过TFT液晶显示器显示电流、电压及相关参数的显示；通过D/A控制电流源的电流大小。

2、程序流程图

如图（9）所示为程序流程图。

图（9）程序流程图

四、实物展示

1、环形变压器

2、输入滤波

3、显示及其主控

4、恒流电路

5、肖特基整流桥电路

6、辅助电源

7、整体实物图

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