基于单片机的数控直流电流源设计与实现

李 萍，高思宇，李业明，朱洪涛

（黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

稳定直流电流源是一种重要的单片机电源，具有纹波低、精度高的特点，广泛地应用于现代科学研究和工业生产中。随着单片机技术的发展，数控电流源开始出现，并以控制灵活、调节方便的特点展示了良好的应用前景。当前的电源技术主要包含了电气、电子、系统集成、控制理论等诸多学科领域。计算机和通讯等现代信息技术的飞速发展，为电源技术的发展提供了广阔空间，但也给电源技术提出了更高要求。数控电源在电子装置中的应用已变得越来越普遍，但由于电源在工作时极易产生误差，会对整个系统的精确度产生影响，导致在使用时造成一些不良后果。

以数控电流源为研究对象，根据开关电源的基本原理，为提高稳定度，在斩波电路的前一级再增加一级稳压电路，并且采用两个斩波电路同时工作，叠加后的电流更加稳定，能够提高输出电流的强度。选用专用的PWM调制芯片与单片机相结合的方式来控制MOSFET开关。利用隔离性电流传感器将输出电流的大小转换成对应的模拟信号，分别传送至WM集成芯片及单片机中，构成双反馈调节系统，提高系统的稳定性。

1 电路原理

1.1 总体设计方案

本次设计是以开关电源的原理为设计基础，并在此基础上进行改进，以提高电源的精度和稳定性为目标，其系统的总体原理如图1所示。

图1 系统总体原理框图

1.2 整流滤波稳压电路

为滤除交流电源线上的干扰，同时避免向外界发出噪声，在电源的输入端加入了EMI滤波电路，能有效地抑制电路中的串模、共模干扰，再经过稳压电路的稳压处理，基本避免了输入端对电路的影响。整流稳压电路原理如图2所示。

图2 整流稳压电路原理

1.3 PWM调制波与斩波的电路设计

本设计是由SG3525芯片实现PWM 自动调节，其电路原理如图3所示。根据SG3525的资料可知，由引脚端5外接的电容CT值和引脚端6外接的电阻RT值来确定其输出频率，PWM调制波的频率为f＝1／（0.7CTRT），将频率设定在100kHz附近，取C5（CT）＝3.3nF，W3（RT）＝10kΩ的可调精密电位器。

图3 PWM调制波与IRF5210驱动电路原理

为降低输出电流的纹波系数，采用两个MOSFET开关管IRFP9140构成斩波电路，并由两个占空比一致、相位相差180°的PWM信号来驱动，对后面的储能电感进行充电。由图4的波形可知，当两路相位差为180°、大小一致的电流相叠加输出时，其输出电流的纹波系数要比使用单个斩波电路时的系数小。

斩波与滤波稳流电路原理如图5所示。续流二极管选用MBR7545，在输出端并联一个470uF／60V的电解电容储能，同时，并联一个高频电容来滤除高频成分。

图4 iL1（t）、iL2（t）、iO（t）的理论波形

图5 斩波与滤波稳流电路原理

1.4 隔离型电流检测电路

隔离型电流检测电路是以HCNR200型线性光电耦合器为核心器件，由两片高精度仪器运放OP27与其他一些辅助原件组成，具有精度高、转换速度快、稳定性好的特点，而且可以避免磁补偿式电流传感器在mA级小电流检测时的非线性失真情况，其电路原理如图6所示。

图6 线性光电耦合器组成隔离型电流检测电路原理

1.5 单片机模块

如图7所示，单片机最小系统采用ATS 89S8252系统。AT89S8252单片机主要完成设定值的按键处理、对SG3525给定量的输出及对输出电流值的采集与数值显示。A／D转换器选用ADS7841芯片，D／A转换器选用DAC1208芯片，其转换精度均达到12位，能够满足设计需求，并由AD584芯片提供基准电压。

键盘的作用是实现对输出电流值的任意设定，显示电路主要作用是对给定值和输出值进行显示。由于本设计输出的电流最大为2 000mA，因此，在设计中采用了4个共阴数码管，软件采用动态扫描的方式进行显示。

图7 单片机最小系统，A／D，D／A及按键显示原理

1.6 系统软件设计

本系统选用的主控器件是单片机，单片机软件包括主程序、A／D转换子程序、D／A转换子程序及键盘显示等程序。软件采用汇编语言编写。

本设计的主程序包括:A／D转换子程序、D／A转换子程序、键盘显示子程序以及过流保护子程序等，A／D转换子程序的作用是将输出电流对应的电压信号的模拟量转换为数字量后送给单片机，通过单片机的软件进行运算，再由键盘显示子程序，得出当时的电流值。

用户设定的恒流值通过D／A输出子程序转化成模拟信号的给定值输送给PWM控制器。键盘与显示程序中采用动态扫描的方式驱动LED，而且在每一个主程序周期中都会扫描键盘一次，查看是否将有效按键按下，再根据按键状态进行相应的跳转。主程序流程如图8所示。

图8 主程序流程

2 仿真结果

本次设计的目的是得到稳定的直流电流，因此，对主电路进行仿真，并检测输出电流是否为恒流，仿真原理如图9所示。

图9 仿真原理

图9 中利用两个信号源代替两个占空比一致、相位相差180°的PWM波，对MOSFET进行驱动。利用18V直流电源代替输入电压，R5为负载，流过R5的电流即为输出电流，再选定扫描类型为Time Domain，设置start saving data为5ms，run to为5.05ms，步长为 0.1us，得到仿真波形如图 10所示。

图10 仿真波形

由仿真结果可知，该方案得到的输出电流与图4中iL1（t）、iL2（t）、iO（t）的理论波形图基本一致，因此，该方案可达到本次设计的目标。

3 结 语

本设计采用双闭环控制系统，大大提高了输出电流的稳定，通过PWM芯片具有的自我调节功能实现对系统输出的控制，单片机还可利用软件算法来调节输出电流。其中DC／DC变换是本设计的核心，采用非隔离的斩波电路实现稳定输出，并利用两个斩波电路共同工作来提高输出电流，对电流的稳定也具有很好的效果。本设计所提出的设计方案简单易懂，便于实现且所需费用较低，具有很高的性价比。当然，本设计也有一些需要改进和提高的地方，还可以更加全面的利用单片机具有的一些功能，在电流的精度方面也可以实行进一步的改进。

［1］董辉，庞晓风，张威.数控直流电流源［D］.沈阳:东北大学，2009.

［2］刘公志.新型数字直流电源设计［J］.杭州电子工业学院学报，2004（33）:14－16.

［3］赵建玉.智能电流源设计［J］.山东建材学院学报，1993.49:50－52.

［4］黄智伟.单片机软件抗干扰技术研究［J］.计算机应用，1999（1）:36－38.

［5］谢自美.电子线路综合设计［M］.武汉:华中科技大学出版社.2006.43－45.

［6］朱传奇.简易使用的直流电流源［J］.山东电力技术，1999.27:32－33.

［7］马云峰.单片机控制的直流电流源设计［J］.潍坊高等专科学院学报，2001（14）:29－31.