基于降压式斩波电路的基准恒流源设计

肖林京 公栋梁 于志豪 常 龙

(山东科技大学机电学院，山东 青岛 266590)

基于降压式斩波电路的基准恒流源设计

肖林京 公栋梁 于志豪 常 龙

(山东科技大学机电学院，山东 青岛 266590)

以控制芯片TL494为核心，设计了一款电流调节区间在0～10 A的恒流源系统。系统基于降压型斩波电路，主要用于锂电池电源管理系统的放电试验。工作时，TL494电路生成的PWM信号经IR2110电路驱动后，控制场效应管开关，实现降压式主回路的导通、闭合。改变TL494电路的输入电压可调整生成的PWM信号的占空比，从而达到电流可调的目的，而串联在电流主回路中的霍尔电流传感器反馈信息到PI调节电路，构成闭环控制，使电流恒定。利用Simulink对系统进行仿真，并根据仿真结果进行试验，实测数据表明，该恒流源可输出稳定度优于0.01、相对误差小于1%的稳定电流。

TL494 恒流源 闭环控制 Simulink 斩波电路 稳定度

0 引言

从电真空器件到集成电路，恒流源经历了几十年的发展，在各个领域有了丰富的应用[1]。目前，比较智能的恒流源系统如电子负载等价格都比较昂贵，在进行蓄电池简易放电试验时，需要一件低成本的恒流源设备。恒流源的设计方法一般有3种：利用稳压源和电阻构成、利用恒流器件构成和利用负反馈放大器构

成[2]。本文采用第二种方法，通过PI控制电路对霍尔电流传感器负反馈与给定量差值的控制，调节电流源稳定输出。系统结构简单、经济耐用，主回路直流电压小于等于24 V，输出电流范围为0～10 A。

1 恒流源电路结构与原理

恒流源系统的设计思想如图1所示，图1(a)所示结构框图和图1(b)所示功能框图一一对应。

图1 系统的主要设计思想

由图1可以看出，恒流源系统由TL431基准电路、PI调节电路、TL494发生电路、IR2110驱动电路和Buck主回路组成，分别实现给定基准、调节占空比、生成PWM信号、驱动MOSFET开关和提供电流回路的功能。

1.1 功率主回路

功率主回路采用降压式的DC-DC拓扑结构，即Buck电路，如图2所示。

图2 Buck变换器主电路

电路主要由电感、电容、负载、二极管、场效应管、霍尔电流传感器和相关保护电路构成，其中电感由4 mm2电线绕制而成，场效应管选择两个安装有散热片的IRF540芯片,保证散热性和可靠性。TL494控制电路产生的PWM信号，经IR2110电路驱动后输出到IRF540的门极，控制主回路的通断。开关导通时，电流流经电感L1并存储能量；开关闭合时，电感L1通过二极管D1释放能量[3]。并联在IRF540两端的RCD吸收电路和稳压二极管D3和D4构成限幅器，分别用来降低关断损耗和保护场效应管不被击穿。

霍尔电流传感器HFK200BS与负载R串联在输出回路中，输出电压UH与测量电流I的关系为：

(1)

负载两端电压UR与霍尔输出电压UH关系为：

UR=200×(UH-2.5)×R

(2)

依据UR与UH的关系，将霍尔传感器输出端接入运算放大器，与2.5V基准电压经减法运算器后再放大200倍，然后作为反馈信号接入PI控制电路。当R取1Ω、电流小于10A时，反馈电压介于0～10V之间。

1.2 信号基准电路

信号基准电路主要由TL431芯片及分压电阻构成，旨在为系统提供精确的给定电压，使设定的电流值更加准确。TL431是一个具有良好热稳定性能的三端可调分流基准源，提供2.5V的基准电压，利用分压原理，可输出0～36V范围内的电压。系统设定的给定电压为0～10V。

1.3PI调节电路

PI调节电路是闭环系统的重要组成部分，主要由运放芯片LMV324构成，用于消除稳态误差、抵抗干扰，使系统能提供精准稳定的电流。电路的输入端是两个电压跟随器，输入阻抗高、输出阻抗低，有良好的缓冲隔离作用[4]。相应的输入信号是反馈电压和基准电压。反馈电压由串联在主回路中的霍尔电流传感器经变换后给出，是反映电流大小的电压量；基准电压由基准电路给出，用来设定电流大小。电压跟随器的输出经PI调节接入TL494的反馈端，对PWM信号的占空比进行调节。比例系数和积分系数分别由串联后接在运放两端的电阻R和电容C的值确定，具体数值将在后文分析中给出。

1.4PWM产生电路

主回路中开关管的导通和关闭需要高低电平变换的驱动信号来完成，这里采用PWM信号，由TL494芯片生成。TL494是一种固定频率的脉宽调制电路，内部集成振荡器、死区时间比较器、脉宽调制比较器和D触发器等电路，使用时外接相应的电阻、电容即可产生PWM信号。为方便调试，设计中并未使用TL494自带的误差放大器，而是使用了外接的LMV324运放电路。将误差放大器反相输入端(2、15管脚)接5V参考电压(14管脚)，同相输入端(1、16管脚)接地；反馈输入端(3管脚)接PI控制器的输出，用来调整PWM波形占空比；死区控制端(4管脚)接地，使输出的PWM信号的最大占空比为96%；输出控制端(13管脚)接地，关闭双稳触发器，使输出脉冲频率等于振荡器频率。C9和R10构成锯齿波振荡电路，振荡频率为：

(3)

工作时，锯齿波振荡电路产生的锯齿波经芯片内部电路变换成方波输出，占空比与3管脚输入的反馈电压大小成反相关。当反馈电压从0.5 V变化到3.5 V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。因为TL494内置晶体管的结构原因，使得集电极C1和发射极E1(8管脚和9管脚)间的管压降略高。为了更好地驱动MOSFET，在集电极C1外加二极管和三极管，使PWM信号的低电平更低一些；同时接上拉电阻到Vref端。

1.5 PWM驱动电路

由TL494电路生成的PWM信号驱动能力较弱，在驱动开关管前需接入专门的驱动电路。一般采用推挽电路或专用驱动芯片，鉴于主回路中MOSFET开关导通时电流较大、功率较高，选取专用集成芯片IR2110实现。IR2110集成度高、响应快、驱动能力强，两个通道LIN和HIN可同时驱动2个场效应管(图2中的Q1和Q2)一致动作，能很好地满足试验要求。

使用IR2110电路驱动时，应注意限流电阻的选取。电压给定的情况下，限流电阻决定了驱动电流的大小，也就决定了MOSFET开关导通关断的快慢。MOSFET开关导通过慢，会使器件功耗升高，同时影响占空比；MOSFET开关关断太快，又会使门极和源极之间的瞬时电压过高，影响器件寿命。

2 试验与分析

如图3所示，硬件电路设计好后，根据Buck电路的结构写出系统的传递函数，并通过改变比例系数和积分系数来确定PI调节电路中电阻R和电容C的值。

图3 系统传递函数与仿真

首先，确定比例参数P。在开关调节系统中,为防止系统超调或振荡，不适合选择数值较大的比例参数。图4示出的是积分系数为100、比例系数不同时系统的阶跃响应曲线，图5所示为系统静差曲线。

图4 系统阶跃响应曲线

图5 系统静差曲线

从图4和图5可以看出，比例系数取30时系统超调最大，但静差最小, 比例系数取500时系统超调最小，但静差最大。考虑稳定性和准确性, 选取比例系数为100，即R=100 kΩ。

其次,是积分参数I的选取。系统中的积分系数一般也不宜取得太大,否则影响系统稳定性。图6给出的是比例系数为100、积分系数不同时系统的阶跃响应曲线。从图6可以看出，比例系数为500时系统响应最快，但超调最大；积分系数取50时系统超调最小，但响应最慢。考虑稳定性和快速性，选取积分系数为100，即C=1 nF[5]。

图6 P相同、I不同时的系统阶跃响应

确定好PI调节电路的参数后，将整个系统进行硬件连接、调试和测量，以验证系统性能的好坏。测量时，使用高精度金属壳散热式电阻作为负载，每6 s记录一次数据，40 min共得到400个测量数据。此处仅以2.5 A、5 A、7.5 A、10 A的电流大小曲线为代表予以验证，如图7所示。

图7 40 min内电流大小取样图

每分钟的电流值是1 min内10个采样点的平均值。从图7可以看出，电流基本在设定的电流值±0.1 A的范围内。根据电流稳定度的定义,电流稳定度是指电流标准差与平均电流的比值，即[6]：

(4)

根据相对误差定义,相对误差是指测量值与真实值之差与真实值的比值，即：

(5)

式中：I为测量值；I′为设定值。代入数据，将每分钟电流的相对误差求出后再求平均值，求得电流为2.5A、5A、7.5A、10A时的相对误差分别为0.320%、0.184%、0.273%、0.236%。

3 结束语

本文设计了一款基于Buck电路的恒流源系统，利

用运放芯片LMV324和霍尔电流传感器HFK200BS代替单片机进行取样反馈，简化了设计，降低了成本。PWM驱动芯片采用体积小、速度快的IR2110，减少了开关管损耗，增加了系统耐用性。良好的散热性能和负反馈调节，保证了系统的稳定性。使用该恒流源对容量低于100Ah的锂离子蓄电池进行放电特性测试，能有效获取蓄电池部分性能参数,实现对电流检测的校准等功能。

[1] 穆云田.基于单片机控制的直流恒流源的设计[D].天津：河北工业大学，2007.

[2] 周凯锋.30A高精度交直流恒流源的研制[D].昆明：昆明理工大学，2002.

[3] 李永康.带PFC的照明LED恒流源的研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[4] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：29-30.

[5] 胡晓军，张逸成，姚永涛，等.基于TL494的恒流电源设计[J].电气自动化，2008，30(4)：15-17.

[6] 汪雨凌.25A恒流源系统实验研究与设计[D].长春：吉林大学，2006.

Design of the Reference Constant-current Source Based on Buck Chopper Circuit

With the control chip TL494 as the core, the constant current source system within the adjust ingrange of 0～10 A has been designed. The system is based on buck chopper circuit, mainly used for discharge test of the Lithium battery power management system. In operation, the PWM signals generated by TL494 circuit are driven by IR2110 circuit, then implements on-off of the buck main loop by controlling FET switch. The duty cycle of the PWM signals can be adjusted through changing the input voltage of TL494, thus the current can be adjustable; the Hall current transducer that connected in series in main current loop feedbacks information to PI regulation circuit and builds the closed loop control to make the constant current. The system is simulated by adopting Simulink, and the test is conducted in accordance with the simulation result. The practical test result indicates that this constant current source can output stable current with stability of 0.01, and relative error less than 1%.

TL494 Constant-current source Closed-loop control Simulink Chopper circuit Stability

山东省科技发展计划基金资助项目(编号：2012GSF11606)。

肖林京(1966-)，男，2001年毕业于北京科技大学机械设计制造及其自动化专业，获博士学位，教授；主要从事机电传动与控制技术、仿生摩擦学、散料输送技术、新能源技术与装备等方面的教学与研究工作。

TH89;TM933

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510020

修改稿收到日期：2014-09-23。