恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源?，F(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進了對恒流源的需求,。在LED照明應(yīng)用中,，LED對電流的敏感度高，因此,，性能良好的恒流源可以極大地提高LED的使用壽命,，本文主要介紹了一種多路輸出程控恒流源系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。該恒流源每一路輸出電流在O～3．5 A可選,，可滿足多種使用需求,。
1 程控恒流源電路設(shè)計
該系統(tǒng)采用3路恒流源并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，每路電流輸出大小可以獨立控制,，并由自己獨立反饋控制回路,，能自行穩(wěn)定其輸出電流。電流輸出形式多樣,，可以3路同時工作,，每路輸出電流大小保持獨立；在長時間工作時,，也可以3路分時工作,，以避免電路元件工作在長時間、大電流狀態(tài)下疲勞性損壞,。此外,，多路電流并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，可以在單路燒毀的情況下使用余下通道,，從而不至于影響整個系統(tǒng),。同時，采取每通道模擬部分單獨成PCB板,，可以適應(yīng)通道擴展要求,。
本文所提出的程控恒流源是以單片機為核心，通過與電壓電流轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合的方法,，實現(xiàn)電流可預(yù)置,、可連續(xù)調(diào)節(jié)的功能，該系統(tǒng)主要包括兩大部分：數(shù)控模塊和直流電源模塊,。本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
1．1 直流電源模塊的設(shè)計
該恒流源采用Buck電路，前端采用電源模塊輸入，電路簡單,，易于控制,。Buck電路是應(yīng)用很廣泛的降壓電路，主電路由不受控整流管,、電感,、開關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)由開關(guān)管的通斷實現(xiàn)對輸入電壓的斬波,；輸出側(cè)由電感,、電容組成二階濾波網(wǎng)絡(luò)，可以減小輸出電壓,、電流紋波,。
圖2中，當開關(guān)管導(dǎo)通,，整流管截止時,，忽略開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，電感L兩端的電位為VIN和輸出電壓VO,，且近似保持不變,，故電感電流線性增加，此時在電感中儲存能量,。若電容C兩端的電壓比輸出電壓略低,，則電源還需為電容充電，在電容中儲存一定的能量,。此過程負載消耗的能量由電源提供,。一旦開關(guān)管變?yōu)榻刂梗鞴軐?dǎo)通,，電感L中的磁場將改變其兩端的電壓極性,，以保持其電流方向不變。忽略整流管上的壓降,，電感L兩端的電位變?yōu)榱愫蚔O且近似不變,，電感L中的電流線性下降，其中儲存的能量提供給負載,。同時,，當VO有所下降時，電容C也為負載RL提供部分能量,。可見,，這一過程負載RL消耗的能量由電感L和電容C提供,。總之，Buck變換器就是用電感L和電容C作為儲能組件,，將能量以離散的形式由輸入傳到輸出,。其中，控制芯片提供反饋控制用以實現(xiàn)恒流輸出,。
Buck調(diào)整器可工作于連續(xù)和不連續(xù)模式下,，但是Buck型輸出濾波器的拓補會在不連續(xù)模式下出現(xiàn)問題，因此,，對該濾波器的拓補,，電感選擇應(yīng)保證直到輸出最小規(guī)定電流時，電感電流也保持連續(xù),。直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時對應(yīng)臨界連續(xù),，所以
其中，Vin是輸入電壓,，Vout為輸出電壓,，fs是開關(guān)頻率，因為該電路對紋波要求高,，選擇了L較大,，為10 mH。
濾波電容C的選擇取決于紋波電壓的大小,，而紋波大小又由電容ESR和電感電流紋波△IL決定,，所以要選取合適的COUT，以最小化電壓紋波和負載瞬態(tài)值,。通常情況下,，電容的取值可由以下公式獲得：
Ion是輸出電流，Vor是紋波電壓,。
1．2 程控模塊設(shè)計
XCl64CM片機是德國SIEMENS公司推出的增強型16位單片機,，其結(jié)構(gòu)新、性能強,、編程簡單,、適應(yīng)性強。該單片機能提供精度為8位或10位,，集成采樣和保持電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),；擁有PWM產(chǎn)生模塊，在不同的工作模式下可靈活產(chǎn)生PWM信號或記錄事件,，使恒流源電路簡化,，利于電路控制。XCl64CM含2個高速同步串行接口,，支持高達20 Mb／s(模塊工作時鐘為40 MHz)的全雙工和半雙工串行同步通信,。
XCl64CM最大的優(yōu)點就是：內(nèi)部CCU單元使電源的外部硬件電路大大簡化,，其強大的運算能力可以完成如電壓采樣信號處理更為有效復(fù)雜的算法，非常適應(yīng)于電源功率變換領(lǐng)域,。
程控模塊主要由包括LED數(shù)字顯示,、編碼開關(guān)、串口通信等功能的單片機系統(tǒng)組成,。模塊的主要功能是按給定的電流值,，提供調(diào)節(jié)輸出電流所需的PWM波。
程控模塊采用編碼開關(guān)輸入方式,，設(shè)置給定的電流值并通過LED數(shù)碼管顯示,，該系統(tǒng)也可通過RS232串口進行遠程控制電流設(shè)置與通道輸出。單片機經(jīng)過運算,，調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比,，實現(xiàn)對恒流源輸出電流的控制和精確調(diào)節(jié)。
顯示電路采用普通4位數(shù)碼管實時顯示,，用芯片MAX7219驅(qū)動數(shù)碼管,。MAX7219是一個高性能的多位LED顯示驅(qū)動器，可同時驅(qū)動8位共陰極LED或64個獨立的LED,。
MAX7219僅需3個串行端口DIN,、CLK、LOAD實現(xiàn)與單片機的通信,。
1．3 信號采樣調(diào)理電路
信號采集調(diào)理模塊包括采樣電路,、信號調(diào)理電路和過電流保護電路。測試回路的電流進入信號采集和調(diào)理電路,，在信號采集和調(diào)理電路中對電流信號通過電阻采樣,，進行I／V轉(zhuǎn)換變成滿足A／D輸入范圍的電壓信號。過流保護電路在電路故障時啟動,。
信號采集通過電阻分壓的方式采集輸出電壓,，通過后端電阻的I／V轉(zhuǎn)換，可以采集實際的輸出電流,。采集的模擬電壓,，經(jīng)放大器LM358，輸入單片機的AD輸入口,，與基準電壓相比較,，用PI算法控制PWM的脈沖寬度，調(diào)整占空比,，實現(xiàn)恒流輸出,，電路如圖3所示。
在電流輸出端接上采樣電阻,，由電流輸出端采集到的經(jīng)分壓處理后得到采樣反饋信號,，信號經(jīng)由運放后送入單片機,。單片機ADC模塊對信號進行A／D轉(zhuǎn)換，獲得的電流值送入LED顯示,。
1．4 PWM驅(qū)動電路
XCl64CM系列中的幾款產(chǎn)品具有捕獲比較單元6(CAPCOM6)，該單元由帶有3路捕獲／比較通道的定時器T12和帶有1路比較通道的定時器T13組成,。T12的各通道既能獨立產(chǎn)生PWM信號或接受捕獲信號,，也可共同產(chǎn)生驅(qū)動交流電機或逆變器的控制信號序列。
在該電路中采用了MC34152,，該器件是雙轉(zhuǎn)換高速驅(qū)動器,，專門設(shè)計用于連接低電流數(shù)字電路與功率MOSFET，具有低輸入電流,，可以與互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和晶體管-晶體管邏輯(TTL)電路相容,，并且具有完全適合于驅(qū)動功率MOSFET的2個大電流推挽輸出。它還包含滯后的欠壓鎖定以防止在低電源電壓情況下發(fā)生誤動作,。具體框圖如圖4所示,。
從圖4中可以看到，引腳2,、4為信號輸入端,，引腳5，7為同相輸出端,，每個推挽電路驅(qū)動輸出端的輸出和吸收電流能夠達到1．5 A,。產(chǎn)生的PWM信號用光耦隔離，隔離電壓沖擊及噪聲串擾串口通信電路,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
多通道恒流源系統(tǒng)軟件共分為5個部分：初始化程序,；通道電流設(shè)定、顯示程序,；電流閉環(huán)PI控制,；過流檢測關(guān)斷程序。圖5是控制軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),。
單片機上電后先經(jīng)過初始化程序完成各控制單元的初始化配置,，初始化設(shè)置之后，程序進入模式選擇,，主程序在判斷模式后,，檢測編碼開關(guān)輸入或遠程串口輸入，獲得電流設(shè)定數(shù)據(jù),，通過單片機對輸入數(shù)據(jù)進行處理,，此時數(shù)碼管顯示設(shè)定電流值，此時,，單片機再根據(jù)設(shè)定值,，對應(yīng)改變PWM波占空比,，在電路工作過程中，一直對輸出電流進行檢測,，通過PI調(diào)節(jié)方式,，使輸出電流與設(shè)定電流一致，控制輸出電流恒流,。軟件實現(xiàn)閉環(huán)控制,，當電流超過最大值時，系統(tǒng)進入中斷服務(wù)程序,。
3 測試結(jié)果
測試結(jié)果如表1所示,。
測試數(shù)據(jù)表明，在0～3 000mA范圍內(nèi),，輸出電流值與設(shè)定電流值誤差較小,，其變化均在允許范圍內(nèi)。說明恒流源的電源容量充足,，由數(shù)控模塊控制的恒流源模塊線性良好,，精度較高。
在實驗時,，當電流超出允許范圍,，電路能迅速關(guān)斷保護，說明電路保護措施良好,，軟硬件都工作正常,。
4 結(jié)論
該恒流源在實際測試中，恒流控制性能表現(xiàn)出色,，達到了設(shè)計要求,。
實驗證明，利用XCl64CM的強大捕獲比較單元和AD單元簡化了硬件電路,，用多級保護隔離,，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，過流保護迅速可靠,，穩(wěn)定性,、重復(fù)性較好，并具有操作方便,，顯示直觀等特點,，使整個測試系統(tǒng)的工作性能達到了令人滿意的水平。