基于单片机控制的多用途高效率智能电流源的研制

刘恒东 裴婉婉 孙慧琳

（大连大学 信息工程学院，辽宁 大连 116622）

0 引言

伴随着低压直流用电设备的不断增加和更新换代的今天，直流供电电源等设备也必将得到发展。恒流源可以广泛应用于电子负载、充电器等生产场合，市场前景广阔。随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，人们越来越追求产品的智能化，对于电子设备，精密度稳定度是最重要的。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电路，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对智能恒定电流器件的需求越来越迫切，当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面技术刚刚起步且有待发展，高性能的可调智能电流源器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本项目是基于（ZL200710012396.1）发明专利《用负载悬浮控制电路的可调电流源装置》[1]的应用研制。研制出一种由单片机控制的高效率智能电流源，稳定输出可调电流源，可实际应用于需要高效率高稳定度低功耗恒流源的领域。

1 电路设计

实现单片机控制的智能可调电流源，单片机的控制和恒流源的实现是核心的两部分，通常采用通过单片机通过按键控制DA输出给定电流，恒流源工作，达到稳定的直流，单片机进行检测，反馈调节，使整个系统成为一个完整的闭环。

图1 系统框图Fig.1 The system block diagram

1.1 恒流源的设计

1.1.1 恒流源电路原理分析

恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下特点：不因负载(输出电压)变化而改变；不因环境温度变化而改变；内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）。能够提供恒定电流的电路即为恒流源电路。现在技术上基本上采用压控恒流源。

图2 压控恒流源Fig.2 VCCS

Q1为电流给定调整管,R3为电流取样电阻，R1提供基准电压Uref来控制给定电流的大小。通过R3两端的电压的大小，来调整场效应管Q2的开关量。如果负载RL减小，IL增大，则U(R3)变大，Q1开关量减小，从而使IL降低，反之，则IL升高。实现了电压控制恒流。

1.1.2 问题的提出与解决

在上述电路中，存在以下问题:其负载电路和控制电路都来自于统一回路，因此，负载两端的压降受到控制电路的供电电压的限制；单纯依靠场效应管的打开和关断实现电流的闭环控制，电流给定调节管功率很大，导致效率降低。为了解决这些问题，兼顾精度、效率、成本、功率、负载阻抗变化，研制可以高稳定的随时调节的电流源装置 ，采用将电流给定控制部分、控制开关部分和负载与负载电源控制部分三个电源回路分开，互不干扰，在开关管Q1和降压续流电路的作用下，将负载回路多余能量的损耗减小，可以有效地减小电流调节管损耗大的问题以及控制电路受负载回路电压影响的问题[1]。

电路构成如图图3所示。Q1为开关调整管,34063为脉宽调制控制器[2]，L1为储能元件 ,减小开关器件的导通损耗和开关损耗是提高电路效率的关键。为此,器件选择饱和压降小、频率特性好的场效应管和肖特基续流二极管。

图3 采用开关电源的恒流源及过压保护电路Fig.3 The adoption of constant current source of switch power supply and over-voltage protection circuit

电流给定控制部分：由 IC1(OP07),R17，R12，D6，C4，Q2，R14(电流取样电阻)构成电流给定控制部分，此处的电源可以为正负电源或单电源，实现根据需要随时调节负载上的电流。此部分的电流给定悬浮在负载R11，C3之上，不受负载回路供电电压和负载两端的电压的变化，本图中可用手动调节滑动变阻器R17来调节电源回路中的电流。

控制开关部分：由IC2，34063等部分组成，由该电路产生的PWM信号通过光电或磁电隔离，控制开关，使其不受负载两端电压变化的影响，也不受开关电路所用电源电压的影响。此处的PWM电路可以使用34063.这部分的功能电路悬浮在负载回路的降压续流的电路之上，既不受负载回路电压变化的影响，也不会因负载两端活负载电源电压的变化而受到电流给定控制回路的影响。当电源电压降低或负载电阻 RL降低时 ,则取样电阻 RQ上的电压也将减少 ,则34063的 1、8管脚输出方波的占空比增大 ,输出电压和将其电压的变化变成占空比不同的光信号,输出隔离电路将光信号变成电信号控制开关管Q1导通时间变长,使RL两端电压回升到原来的稳定值。Q1关断后,储能元件L1保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起 RL两端电压增大时 ,原理与前类同 ,电路通过闭环反馈系统使RL两端电压下降到原来的稳定值,从而达到稳定负载电流IL的目的。

负载和负载电源开关部分：由负载R5、C3，负载电流调节管Q1，降压续流电路、开关管Q2，供电电源组成。其中，降压续流电路，由电感L，电容C，二极管组成，用于在开关的作用下降压，并在降压的过程中将所消耗的电能变成磁能，如果开关关断，可以将磁能变成电能送给负载。这样能够有效地增大效率。

1.2 过压保护电路

过压保护是加在被测电源设备中，旨在检测被测电源设备是否过压和保护恒流电路。它利用运放的比较作用，使过压后指示灯亮起，来得知电源过压。在本研究中，为了达到过压保护作用，从负载端分压引入运放负端，运放正端接入参考电压，以小灯指示是否过压，如果过压，切断Q2。如图3。

1.3 DA 输入电路

本系统采用TLV5618作为恒流源的电流给定部分[4]，TLV5618是美国TexasInstruments公司生产的带有缓冲基准输入的可编程双路12位数/模转换器，DAC输出电压范围为基准电压的2倍，且其输出是单调变化的。该器件使用简单，用5V单电源工作，并包含上电复位功能以确保可重复启动，带有斯密特触发器，带有高的噪声抑制能力，并为3线串行接口。因此，恒流电路的D/A转换部分采用该芯片实现。电路图如下：

图4 D/A转换电路及显示电路Fig.4 D/A conversion circuit and display circuit

1.4 显示模块电路

本系统选用12864液晶屏，液晶屏能最多显示16×4个英文字符或8×4个中文字符，提供可选的8位、4位并行接口及串行接口。通常选用串行接口就能满足数据传输速度的需求，节省了数据线引脚。如图4。

1.5 按键控制电路

本系统需要6个功能按键，其中包括系统板上自带的复位键，采用了低电平中断触发方式。在硬件设计上需要将所需要的按键接到MSP430微控制器的外部中断端口上，另一端接到电源地即可实现，设计简单，在此不作详细说明。

2 软件设计

本系统涉及按键给定电流，电压电流实时检测，显示部分，主要用到单片机的以下程序：模数转换，按键子程序，显示子程序，数模转换等。流程图如下：

图5 软件流程图Fig.5 The flow chart of software

3 测试结果

3.1 测试方案

本实验在实验室测试。有两项测试：一是单独测试恒流源：改变负载R6的大小，用万用表测试恒流源输出，与单片机AD检测显示输出电流进行比较。二是作为电子负载进行测试：改变被测电源的大小，用万用表测试恒流源输出，与单片机检测显示输出电流进行对比。

3.2 测试数据

经过测试，本成果在调节负载和被测电源时可以实现很好的恒流功能，设定过压保护为18V，测试数据如下：

表1 当调节负载阻值时的电流变化Tab.1 The current changes when Adjustting the load resistance

表2 调节被测电源的电压时电流变化Tab.2 The current changes when the power supply voltage being measured

3.3 测试结果分析

根据以上测试结果可得到：本系统实现了基本的恒流源功能。并能通过按键达到单片机控制，效率高，稳定度高。输出电流可在0mA-2000mA范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±1mA，最终的检测数据由lcd1602显示，方便使用者进行观测。本系统还可运用单片机控制DA输入达到脉冲充电的效果，通过实时观察充电电流和电压，可以及时掌握充电过程和预测充电时间；研究专业的电子负载，为电源厂商提供强大的测试环境。

4 结论

本文给出了一种作为可调恒流电流源作为充电器和电子负载使用的电路实现，能够达到高效率，多用途，有较高的实用价值和经济效益，同时也能推广到其它行业，创造巨大的经济效益。

[1]刘恒东,陈猛.用负载悬浮控制电路的可调电流源装置[P].中国:CN 101122803 A,2008-02-13.

[2]张占松,蔡宜三.开关电源的原理与设计修订版[M].电子工业出版社,2004.

[3]王丽,康洪明.高精度程控电流源的设计[J].仪表技术与传感器,2012(07):106-110.

[4]陈德俊,王玉山.基于单片机数控电流源设计[J].电源世界,2009(09):30-32.