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高效数控恒流源
四川省大学生电子设计竞赛报告
题目：
高效数控恒流源
编号：
ＳＣＪ－６－本－Ｄ
高效数控恒流电源
摘要：
本系统是以TI公司的MSP430F149单片机为核心控制器，可实现电流预置、电流检测、电流控制、电流显示，空载检测和过压保护及自动恢复等功能。
利用MSP430F149内部自带的A/D转换器、通用运算放大器等器件形成闭环回路，达到了输出恒流的目的。
为保证电流源输出电流稳定性好、精度高、抗干扰力强，采用硬件闭环、软件闭环、软件实时检测控制的策略。
基本实现了200
A～2000
A范围内步进小于等于10
A恒定电流输出的功能，整个系统整机效率高，精度高，稳定性强，并且具有良好的人机交互界面。
关键字：
恒流源MSP430F149闭环控制IR2110
1方案设计与论证
1.1剖析赛题
本题要求设计一个以DC/DC变换器为核心的高效数控恒流电源，电路框图如图1所示。
图1电路框图
本系统由DC/DC变换器模块，MSP430F149模块，驱动模块，取样放大模块和人机接口模块构成。
1.2方案论证
1.2.1控制核心的选择
方案一：
采用目前比较通用的89S52单片机。
该单片机优点是运算能力强，软件编程灵活，自由度大。
它能够实现外围电路的智能控制，但核心控制部分使用89S52时，为达到设计精度的要求，外围电路必须加上12位的A/D转换器，这就使得整个系统硬件电路变得复杂。
方案二：
采用美国TI公司的MSP430F149。
此单片机功能较强、兼容性好、性价比高、超低功耗；并且具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、以及较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达10MHZ，运行速度快。
而且，它内部集成12位A/D转换器，不需外加A/D转换器。
此种方案既能实现智能化的特点，简化硬件电路，提高测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高，带来了极大的方便。
综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。
1.2.2DC-DC主回路的方案选择
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题要求整机效率高，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案：
方案一：
串并联开关电路形式。
串联开关电路如图2所示。
实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。
用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂。
图2串并联开关电路图
方案二：
串联开关电路形式。
串联开关电路如图3所示。
开关管VT1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器后在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。
该电路属于降压型电路。
由于本题只需降压，故选择方案二。
图3串联开关电路图
1.2.3开关电路控制方法的选择
方案一：
采用恒频脉宽调制控制器TL494。
TL494是美国德克斯州仪器公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，可作为单端式、推挽式、全桥式、半桥式开断电源控制器。
此芯片工作频率为1--300KHz，内部有5V的电压基准。
方案二：
采用TI公司MSP430F149芯片产生PWM控制场管。
MSP430F149内部的Timer_A或Timer_B定时的模式下可以准确的产生频率很高的PWM信号，在频率一定的情况下，通过软件改变PWM信号的占空比，使输出电流稳定在设定值。
此方案简单可行，精确度高，减少了外围器件，节约成本。
鉴于以上优点，我们最终选用方案二。
1.2.4开关管驱动电路的选择
方案一：
采用常用的“图腾柱”电路。
图腾柱的开关管驱动电路如图4所示。
图腾柱式的驱动方式，一方面增加了驱动能力，另一方面，当PWM的输出端为低的时候，下管为MOS的结电容提供放电回路。
该电路的特点是输出阻抗低，PWM驱动波形陡峭，MOSFET的开关损耗小，而其仅需少量的分立元件即可实现。
但此电路的最大缺点是关断时图腾柱输出会仍有一个等于Vgs电压的电压加在负载MOS上，如果这个电压高于负载MOS门槛，不能关断MOSFET管。
图4图腾柱驱动电路
方案二：
采用美国IR公司生产的IR2110驱动集成芯片。
IR2110内部结构框图如图5所示。
IR2110是功率驱动集成芯片，具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端电压范围10～20V；逻辑电源电压范围3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。
IR2110构成的整个驱动电路具有体积小、速度快、结构简单、驱动能力强和低功耗的特点。
图5IR2110内部结构框图
综合以上方案优缺点，我们决定采用方案二。
1.2.5显示模块
方案一：
采用八段数码管显示。
由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。
采用LED数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。
整个显示界面显得不太友好。
方案二：
采用LCD1602A液晶显示器
1602A液晶显示器是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD。
它能显示16*2的字符，即可显示两行，每行16个字符。
模块最佳工作电压5V，此时工作电流为2.0mA。
1602A液晶显示器显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。
液晶显示是字符式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二1602A液晶显示器。
2理论分析和计算
根据题目要求和以上论证，本设计的详细系统框图如图6所示。
图6系统总设计框图
系统工作过程如下：
MSP430F149单片机通过中断扫描键盘读入预设值，与读入的电流值比较，利用其差值来控制电流源电路输出的电流值，使其稳定的达到预设值；电流源输出经过负载取出电压值，再经过差分放大，送到MSP430F149内部的12位ADC进行采样测量；最后通过LCD液晶显示出设定值和测量值，完成闭环控制。
2.1软件修正
虽然LM324构成的差分放大，可以较好的放大待测信号，但也存在一定的误差，线性度不理想，因此对数据进行离散数据拟合处理，再通过软件进行校正，以提高精度。
LM324放大校正前后的误差比较如图7所示。
图7LM324放大校正图
为了进一步提高MSP430F149内部AD转换器的精度，首先测试输入AD的电压值，记录数据通过离散数据拟合，最后通过软件修正。
ADC数据修正前后如图8所示。
图8ADC校正图
2.2PWM分辨率计算
利用430内部8M
晶振为时钟的定时器B产生30K
的PWM信号，经过计算每个PWM周期内有约266份，已经基本能够准确调整任意占空比的PWM，从而实现高精度的PWM控制信号。
2.3采样电阻参数计算
设计中A/D的参考电压都为2.5V，电路中流过的电流最大值为2000mA，因此正常情况下电阻阻值应为2500mV/2000mA=1.25
。
因为采样电阻阻值的准确性和阻值是影响输出电流与预置值的一致性的关键因素，因此选用温度系数约为5ppm/℃的康锰铜电阻丝作为采样电阻。
康铜丝接在整流输入地和负载地之间，经过实验，选择0.1欧姆的电阻效果比较好。
3硬件电路设计
3.1DC/DC转换器主要部分
DC/DC主电路采用开关电源非隔离式Buck电路，其构成图如图9所示。
如果MOSFET选用N沟道的那么在驱动电路以后必须加隔离，增加了硬件难度。
如果用P沟道MOSFET那么可以直接驱动不用隔离，并且P沟道的导通电阻较小，功耗小。
所以在Bcuk电路的开关采用P沟道MOSTETP。
图9Buck变换器主电路
3.2驱动电路
驱动电路如图10所示。
由MSP430F149单片机产生的PWM信号从IR2110的12脚，由第1脚输出用于驱动MOSFET管，控制MOSFET的开断。
图10MOSFET驱动电路
3.3电流采样调整电路
常用的电流采样电路是将取样电阻直接串接在Buck电路的接地端，然后使用差分放大电路进行调理。
调理电路如图11所示。
该电路的主要功能是将20mV到200mV的电压信号放大12倍后，送入MSP430F149内部的A/D进行转换。
差分输人信号来自于采样电阻两端。
图11电流采样调整图
3.4自制电源电路设计
本系统芯片所需电压需要12V、5V和3.3V。
用L7805将输入电压转换成12V左右，用于LM324单电源供电；用RG1117-5将12V稳压为5V为驱动芯片IR2110和其他外围供电；用RE1117-3.3将5V稳压为3.3V为MSP430F149供电。
该方案很好的满足本系统的电源需求。
其电路图如图12所示。
图12自制电源电路
3.5空载检测和过压保护电路设计
如图13空载检测和过压保护模块使本系统智能化。
空载检测功能通过检查AD变换的结果是否为0来实现，当空载时蜂鸣器报警。
过压保护电路由一个稳压二极管1N4741和NPN8050构成过压检测电路，用于对输出电压的实时监测。
当工作电压正常时，三极管集电极输出高电平；当工作电压超过11V时，三极管集电极输出低电平，用MSP430F149实时检测信号的变化。
当输出低电平时，关断PWM波，使场管关断，并声光报警。
当输出电压恢复正常时，MSP430F149恢复正常工作状态，从而实现对负载的保护和自动恢复功能。
图13空载检测和过压保护电路
3.6人机接口部分
人机接口部分由输入键盘和LCD显示构成。
其中按键部分主要是完成电流的预设、电流的步进控制和PWM的通断。
其电路如图14所示。
图14按键设计电路
显示部分LCD用来显示电流的给定值、实际测量值、报警状态和PWM的通断。
其工作状态如图15所示。
当设定电流和负载电阻的配合使负载两端电压值超过题目要求的10V最大电压时，将会输出警告信息，此时显示面板输出图如图16所示。
图15正常状态下显示面板图16报警状态下显示面板
4软件设计
软件系统的任务主要有A/D转换、产生PWM波、步进加减、键盘扫描、电流预置、电流检测、电流控制、液晶显示、报警等功能。
为了将所有任务有序的组织起来，软件系统采用前后台结构。
4.1主程序设计
系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括系统时钟初始化，LCD液晶显示初始界面“Pleasewait……”，I/O口初始化，中断系统和定时器/计数器等工作状态的设置，系统变量赋初值等工作；完成系统初始化后打开总中断（包括AD中断和按键中断）。
主程序流程图如图17所示。
图17主程序流程图
4.2ADC中断处理
ADC中断程序主要是读取从外部进来的ADC变化值，ADC校正，电流计算并控制PWM波的占空比，以及空载检查等功能。
MSP430F149内部的AD变换器将采样电阻上的电压转换成数量，将其换算成电流后与预置值比较，根据两者间的差值调整输出PWM波的占空比大小。
最后将反馈回来的信号转换的电流值传送到LCD。
ADC中断流程图如图18所示。
图18AD中断流程图
4.3按键中断处理
按键中断主要处理设置预设电流值和PWM波开关。
按键中断处理流程图如图19所示。
图19按键中断处理流程图
5测试方法与结果
5.1测试仪器
电路测试中使用的仪器设备及其用途如表1所示。
表1电源部分测试使用的仪器设备
序号
仪器名称及型号
数量
仪器名称及型号用途
1
RIGOLDS1062C型数字示波器
1个
观察电源输出纹波电压
2
RIGOLDG1021型函数发生器
1个
给输入信号
3
DF17315LL3A直流稳压电源
1个
给输入信号
4
FUKEDT9205万能测试表
2个
测量负载电流，测量电源输出电压
5
GVT—427B交流毫伏表
1个
测量电源输出纹波电压有效值
5.2系统测试电路
首先将各个模块连接起来，测试方法如图20所示。
其中RL为负载电阻，IL为电流表A测得的电流值。
图20测试电路
5.3恒流源测试
测试电路图如图20所示。
用按键设定电流预设值，用直流毫伏表和万能表分别测试负载两端的实际输出电流与电压，并在LCD上观察设定电流值和最终电流显示值。
在不同的电压下测得数据如表2，表3和表4。
表2恒流源测试表
测试条件：
输入电压１２Ｖ，负载电阻５
设定电流（ｍＡ）
最终显示电流（ｍＡ）
实际输出电流
（ｍＡ）
输出电流与给定值的相对误差
输出电压（Ｖ）
200
200
205
2.5%
1.15
300
300
３０３
1.0%
1.64
500
500
504
0.8%
2.73
800
800
807
0.88%
4.25
1000
1000
1004
0.4%
5.39
1200
1200
1210
0.83%
6.48
1500
1500
1512
0.8%
8.02
1700
1700
1712
0.71%
9.05
1900
1900
1904
0.21%
9.50
2000
2000
1995
0.5%
9.96
表３恒流源测试表
测试条件：
输入电压１５Ｖ，负载电阻５
设定电流（ｍＡ）
最终显示电流（ｍＡ）
实际输出电流
（ｍＡ）
输出电流与给定值的相对误差
输出电压（Ｖ）
200
200
201
0.50%
1.12
400
400
410
2.5%
2.22
600
600
602
0.33%
3.27
800
800
805
0.62%
4.36
1000
1000
1005
0.50%
5.39
1200
1200
1210
0.83%
6.46
1400
1400
1412
0.86%
7.48
1600
1600
1610
0.63%
8.50
1800
1800
1811
0.61%
9.51
2000
2000
1998
0.10%
99.90
表4恒流源测试表
测试条件：
输入电压１８Ｖ，负载电阻５
设定电流（ｍＡ）
最终显示电流（ｍＡ）
实际输出电流
（ｍＡ）
输出电流与给定值的相对误差
输出电压（Ｖ）
200
200
209
4.5%
1.12
400
400
407
1.75%
2.21
600
600
602
0.33%
3.27
800
800
810
1.25%
4.43
1000
1000
1002
0.2%
5.38
1200
1200
1210
0.83%
6.45
1400
1400
1410
0.71%
7.47
1600
1600
1610
0.65%
8.50
1800
1800
1810
0.55%
9.45
2000
2000
1996
0.2%
9.98
由测试数据可以看出，输出电流Io可调范围满足要求的200mA～2000mA。
另外，也满足了发挥部分的能数字设定并控制输出电流。
5.4电流调整率
的测试
电流调整率测试结果如表5：
表5电流调整率测试
测试条件Io＝1000mA，负载为5Ω
输入电压
输出电流
12V
1007mA
18V
1002mA
电压调整率为：
=
（1）
5.5负载调整率
的测试
电负载调整率测试结果如表6：
表6负载调整率测试表
测试条件Ui=15V，Io＝1000mA
负载电阻
输出电流
5
1008mA
1
1010mA
负载调整率：
（2）
5.6输出噪声纹波电流
在
=15V，
=10V，Io＝2000mA条件下，测得120mA
5.7效率测试
在Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA下测得Iin=1.89A，Uo=11.09V，Io=2A，计算得效率为：
78.24%。
5.8过压保护
过流保护动作电压为11.4V。
系统完成情况与题目要求对照如表7
表7系统对题目的完成情况对照表
基
本
部
分
要求
实现
输出电流Io可调范围：
200mA～2000mA
输出电流范围为：
200mA～2000mA
最大输出电压10V
符合要求
电流调整率SI≤4%
电流调整率为1..49%
负载调整率
负载调整率0.2%
输出噪声纹波电流
120mA
整机效率
整机效率78.24%
过流保护的动作电压
11.4V
发
挥
部
分
数字输出电流，步进≤10mA，误差
步进=10mA
输出噪声纹波电流≤15mA
输出噪声纹波电流120mA
整机效率
≥80%
整机效率
=78.24%
过压后能否自动恢复
能
具有输出电流的测量和数字显示功能
有
其他
上电前输出开路检测并报警显示功能
6结论
由于使用MSP430F149单片机作为中央控制器，本系统有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点。
本系统最小可进步，精度也比较高，输出电流范围较宽。
由于本系统对精度的要求较高，硬件部分中采样电阻的热稳定性较好，本设计方案采用康铜丝作为采样电阻。
硬件中的核心模块为开关电源，其核心元件采用P沟道场效应管，其性能稳定性均高于三极管。
软件中又加入了闭环自动校正功能，进一步达到精度的要求。
总之，本系统精度高，性能好，性价比高，稳定性好，智能化程度高，达到了设计要求。
参考文献
【1】谭博学等.集成电路原理及应用.电子工业出版社.2009年7月
【2】李金山等.电子系统设计.电子工业出版社.2009年6月
【3】杨素行.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社.2006年5月
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【5】高吉祥.全国大学生电子设计大赛竞赛培训系列教程模拟电子线路设计.电子工业出版社.2008年4月
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