多路输出程控恒流源设计

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1、多路输出程控恒流源设计来源：电子设计工程 作者：张薿文 吴云峰胥 嫏 岳松刘霞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0 35 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，

2、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。齐PM腿诂片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

3、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V0,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

4、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

5、 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和电感电流纹波厶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：買驶踣EIon是输出电流，Vor是纹波电压。1. 2程控模块设计XCI64CM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。XCI64CM含2个高速同步

6、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。XCI64CM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

7、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米集调理模块包括米样电路、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

8、，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XCI64CM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

9、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。2系统软件

10、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

11、测试结果如表1所示。 1 部分9!试誼爵Tbr Ffttl M the tt 血la实际屯未ftFniA15 ft)5002! OW99935J1 49942(x1 99B52 50ft:w630002剜测试数据表明，在o3 ooomA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XCI64CM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。