一种大电流高精度电流源设计

杨韬悦，张士科，杨新华

（1.合肥工业大学宣城校区信息工程系，安徽宣城242000；2.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050）

一种大电流高精度电流源设计

杨韬悦1，张士科2，杨新华2

（1.合肥工业大学宣城校区信息工程系，安徽宣城242000；2.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050）

针对传统电流源精度较低和难以扩展的问题，提出了一种大电流高精度电流源设计方法。在对设计方案进行分析的基础上，采用大电流运算放大器和高性能控制器进行设计；针对精度和实时性要求，采用模糊PI控制方法；针对大电流输出问题，采用多器件并联方法，并解决环流问题；同时设置了多重软件保护。实验结果表明：该方案的电流源不但达到了技术要求，能够稳定可靠工作，并且易于扩展。

高精度电流源；模糊PI；OPA549；AD7705

电流源是电子系统中常用的单元电路，广泛应用于各种测控系统[1-3]。小电流的电流源可以用多种传统的设计方法实现，技术指标也可以做得很好，但是对大电流精密电流源而言，传统的设计方法难以满足要求[4-7]。本文介绍的电流源是按照技术要求为某大型装备设计的可控大电流精密电流源，设计指标如下：电流范围0～50 A，并且能够按照需要对输出电流进行扩展；输出电压范围0～1 V（0～50 A）；电流源电流大小通过0～10 V直流电压给定，电流误差小于0.5%，功耗不超过300 W（50 A），体积有限制，并且要尽可能小。

1 设计方案

按照电流源的技术要求，对电流的精度有较高的要求。在小电流情况下达到较高的电流控制精度比较容易，但在大电流情况下要达到较高的精度，有一定的难度，而且本设计中输出电压范围很小（0～1 V），因此必须采用线性电路方案，并且要引入负反馈实现电流闭环控制；要求电流源通过0～10 V电压可调，可采用数字控制方案。

综合考虑，采用以下技术方案：由单片机完成整个电流源的控制，将0～10 V的电流给定信号通过A/D转换器转换为数字信号，通过单片机输出数字给定信号，该信号经D/A转换器控制输出电流；输出电路采用由大电流运算放大器构成的U/I转换电路，大电流运算放大器采用TI公司的OPA549，该运算放大器可以输出8 A电流，峰值电流可达10 A[8-9]。鉴于单片OPA549输出电流有限，设计中采用输出端多个OPA549并联的方式扩展输出电流，实际设计中采用12片OPA549并联输出；考虑到功耗的要求，结合OPA549的供电条件，设计中采用±5 V电源供电，同时考虑到输出电流为正极性，因此在电源设计中正负电源分别采用不同电流容量的电源，其中正电源采用+5 V/60 A的开关电源供电，负电源采用-5 V/3 A的开关电源供电；考虑到电流源的控制精度和动态响应要求，以及控制算法的实时性要求，单片机采用Microchip公司的dsPIC30F2010，该处理器为16位高性能数字信号控制器，内含单周期硬件乘法器，可实现单周期乘-累计（MAC）操作，另外该处理器提供3个SPI接口，便于与其它具有SPI接口的器件实现串行通信，有利于简化系统设计；DAC采用具有SPI接口的串行16位DAC，电流反馈ADC采用具有SPI接口的16位串行ADC；由于设计的电流源工作于强电磁干扰环境，系统设计中需要采取必要EMI/EMC措施[10-11]。

系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

图1中0～10 V的电流给定信号经线性衰减后送入ADC进行A/D转换，电流源输出电流由高精度分流器检测后经调理电路送入A/D转换器进行A/D转换，在控制器dsPIC30F2010内部设有PI控制器，由给定电流信号和反馈电流信号经PI控制器产生电流控制信号，经DAC电路产生控制电压信号，通过对输出级的控制输出电流。

2 电路设计

2.1 输出级电路

由于要求输出电流达到50 A，而单片OPA549最大连续输出电流为8 A，设计中采用12片并联输出的方式，电路如图2所示，图中只画出3片OPA549并联的情况，其它9片的连接方式相同。图2中第一片OPA549做主芯片，其它的做从芯片，每个芯片输出端串接0.1 Ω的电阻，起到限流作用，也避免OPA549输出端出现环流问题，该电阻要选大功率电阻。图中R1和R2对来自DAC的输出电压进行分压，以保证加到负载上电压满足0～1 V的要求，R3和C1构成的低通滤波器用于减小电流纹波。

图2 输出级电路原理图

2.2 电流采样及反馈电路

图3为电流采样及反馈电路。由于电流源工作电流大，采用分流器对电流的采样，为提高采样精度，设计中采用0.2%高精度分流器。图3中仪表放大器AD620用于对来自分流器的电流信号进行差动放大，该仪表放大器输入电阻大，增益调节方便。R4、C3为低通滤波器，用于滤去信号中的高频噪声。A/D转换电路采用具有SPI接口的16位A/D转换器AD7705，REF192为AD7705提供精密电压基准，以提高A/D转换精度[10-11]。

2.3 D/A转换电路

D/A转换器采用具有SPI接口的串行D/A转换器DAC8531[12]，限于篇幅，电路图略去。设计中DAC8531和AD7705共用基准电源[13-15]，以简化电路设计。

3 控制算法及软件设计

3.1 控制算法

该电流源所在的设备使用环境复杂，设备工作时电磁干扰非常严重，同时由于负载存在一定的突变性。鉴于此，为了能够在保持电流源动态性能的同时，使得控制器具有良好的实时性，电流源控制算法采用了模糊规则优化的PI控制。另外在硬件电路中加入调节器对输出进行限幅。

系统给定电流值通过外部电压信号输入，经分压、调理等电路进入ADC转换为数字信号。实际工作时采用均值滤波抑制干扰，故等效采样速率做到2 kHz。

调节器通过差值化运算，结合模糊规则表选取合适的PI参数值，经过运算将最终的输出值通过高速DAC输出，控制输出电流。经实验，确定参数P和I按照表1进行选择。

图3 电流采样及反馈电路

表1 模糊规则表

根据实际应用需要，在调节输出电流时为保证电流波动不要太大，每次输出偏差调节范围限制在DAC输出范围的1%以内。

3.2 程序流程图

系统程序流程图如图4所示。图中只给出主程序流程图，子程序流程图略去。

图4 主程序流程图

3.3 保护机制

电流源在运行中会遇到一些异常情况，例如负载断开、采样回路异常、输出功率器件损坏、功率器件发热异常等。为了保证设备的正常运行，在软件方面引入三重保护机制：负载开路保护、功率器件输出保护以及温度保护。

负载开路保护。当DAC输出非零数值0.5 s后电流采样值始终为0，则视为负载开路，此时立即切断输出，待机1 s后继续尝试输出，直至正常负载接入。

功率输出保护。不间断采样功率器件输出的电压值，并与DAC输出值进行比较，若两路数值偏差过大，视为输出功率器件异常，停止设备输出，1 s后尝试重新启动设备。

温度保护。利用温度传感器18B20实时采集散热器温度，当温度超出80°C后停止输出，待设备冷却至50°C以下时尝试重新启动。

4 实验及测试

对上述设计实现的电流源进行实验测试，输出电流最大可以达到近60 A，在0～50 A之间可以实现线性控制，误差控制在0.3%之内，电路在强电磁干扰环境下可以长时间稳定工作，达到设计要求。

5 结 论

按照本文介绍的方法实现了大电流高精度电流源设计，技术指标达到设计要求，电路稳定可靠工作。利用本文介绍的设计方法还可以实现电流的扩展，扩展时只需根据需要增加输出级并联OPA549的个数，并增大+5 V电源的容量即可，电路连接方法相同。另外，通过处理器内部不同的控制算法，配合DAC电路，还可以实现其他任意波形的大电流输出，当然受OPA549带宽的限制，输出波形的频率范围是有限的，此外，由于电路工作在线性状态，功耗大，效率低。

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Design of high current and high precision current source

YANG Tao⁃yue1，ZHANG Shi⁃ke2，YANG Xin⁃hua2
（1.Department of Information Engineering of Hefei University of Technology Xuancheng Campus，Xuancheng242000，China；2.College of Electrical and Information Engineering of Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050，China）

According to the traditional current source with low precision and low extensibility，a design of high⁃current and high precision current source is proposed.On the basis of the analysis of the design，high⁃current operational amplifier and high⁃performance controller are employed in the design；the fuzzy PI controller is adopted to achieve the accuracy and real⁃time requirements；multi⁃device parallel method is used to deal with high output current，while the circulation problem of this method would be solved；besides，multiple software protection is set.The experiment shows that the current source not only meets the technical requirements，and can operate stably and reliably，but has excellent expansibility.

high precision current source；fuzzy PI controller；OPA549；AD7705

TN86

A

1674-6236（2017）22-0158-04

2016-09-19稿件编号：201609173

杨韬悦（1994—），女，甘肃兰州人。研究方向：电子技术应用。