【正文】 綿陽師范學院 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 1 1 引言 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在電子技術飛速發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品已經(jīng)深入到生活的方方面面， 大家也就對系統(tǒng)的高效率、 低功耗 和高精度有了更高的需求。各種各樣的消費電子 技術的 更新 ， 推動電源行業(yè)中 DCDC 向高靈活性、高精度和 智能化方向發(fā)展。 電源分為 逆變電源、交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、 DC/DC 電源 、 通信電源、變頻電源、UPS 電源 、 EPS 應急電源 等。在本設計中主要設計的電源為：直流恒流電源。恒流電源的應用非常廣泛，例如在大功率 LED 驅動電路中，需要使 LED的電流恒定在一定的范圍內(nèi)，否則會減小 LED 的使用壽命，更嚴重的會燒毀 LED。 又例如在一些電子電路中經(jīng)常需要一些恒流源為其他的外圍電路提供穩(wěn)定的直流電流，以使得器件工作在合適的區(qū)域或者狀態(tài)下。由此可見，恒流源任是當今電子電路不可缺少的一部分。 本文研究的主要內(nèi)容 本設計主要設計一數(shù)控直流電流源，其輸出電流可以由控制器設定。該設計具有步進“ +”，“ ”功能，步進值有 1mA， 10mA。且具有過流、過壓保護功能。當微控制器檢測到電流、電壓超過系統(tǒng)設定的閥值時，系統(tǒng)輸出一 DA 值，關閉MOS 管。當控制器檢測到系統(tǒng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)自動重新啟動電路。系統(tǒng)主要由恒流電路、采樣電路組成。恒流電路部分只要由運放、 MOS 管、精密采樣電阻等組成。電源首先連接到負載兩端，然后經(jīng)過 一 MOS 管，最后在連接一采樣電阻，將采樣電阻端的電壓引入到運放的負相輸入端，正相端 連接 由 DA輸出的電壓值，由 電子電路知識可知，當運放的正相與負相端電壓相等時，運放的輸出端電壓趨于穩(wěn)定。故輸出電流不受負載的電阻的改變而改變。 綿陽師范學院 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 2 2 方案比較 與 論證 微處理器 模塊 方案一：采用 AT89S52 作為主控芯片。該單片機操作簡單，容易掌握。 具有 8K的系統(tǒng)可編程 Flash,1000 次的擦寫周期，有 32個可編程 I/O 口， 3 個 16位的定時 /計數(shù)器， 8個中斷源，及其 USART、看門狗等資源。 但該單片機運算速度緩慢 ，無 DA、 AD 等資源，增加了 產(chǎn)品 格外的成本。 因此 在參數(shù)要求比較高的產(chǎn)品中難以實現(xiàn)。 方案二： 采 用 ST 公司的 STM32 作為控制芯片。該控制器是一種基于 ARM CortexM3 內(nèi)核 的 32 位處理器，且功耗低， 在市場上該控制 器的使用也是比較普遍 。該控制器 有 2 個 12 位 16 通道的 AD 轉換器 ； 7 個定時器，其中 3 個通用定時器， 2 個高級定時器和 2 個看門狗定時器； 多達 80 個 快速 I/O 口， 且所有I/O 口可以映像到 16 個外部中斷； 并具有 I2C、 USART、 SPI、 USB 等通訊接口 ,方便與其他的設備進行通信 。 且高達 72MHz 系統(tǒng)時鐘可方便的檢測被控器件的變化以便做出反應。 通過分析比較，采用方案二。 電流采樣模 塊 方案一 ：直接對普通大功率電阻采樣 。該方案簡單 ，信號不需要額外的放大電路，因此成本低廉 。但是 普通大功率電阻的阻值 不但 不精確而且還隨著 環(huán)境的變化而變化， 在本設計中因為電路電流可高達 2A,必然會使其溫度升高，從而導致阻值變化。 如用其采樣必影響系統(tǒng)的精度，使其不能達到預期的效果 。 方案二 ：用精密 采樣電阻采樣。采樣電阻利用精密電阻。精密電阻具有穩(wěn)定型好，功率大，而且阻值不會隨著環(huán)境的變化而變化的特 點。 利用該采樣電阻不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性而且增加了系統(tǒng)精度。 經(jīng)過比較 、分析，選擇方案二。 控制、調(diào)節(jié)模塊 方案一：直接使用硬件調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)方案具有電路結構簡單， 容易實現(xiàn)的優(yōu)點。且硬件調(diào)節(jié)對 電路電流的變化 比較敏感，能夠 快速的響應。但是，直接使用硬件調(diào)節(jié)不但 抗干擾不強，而且不能實現(xiàn)電流的可控輸出。 方案二：采用微控制器結合 PID 算法調(diào)節(jié)。 STM32 微控制器運算速度快，資源豐富。 PID 算法是一種廣泛的控制方法，且原理簡單，容易實現(xiàn)。 使用軟件與硬件結合的方案可以達到 比較好的 效果。 經(jīng)分析，選擇方案二。 恒 流模塊 方案一 ： 采用開關電源的 PWM 方式 恒流 如下圖所示： TL494 是一種規(guī)定頻率脈寬調(diào)制的 IC。內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，綿陽師范學院 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 3 外置 RC 振蕩，其振蕩頻率為： / *osc T Tf R C? 。 內(nèi)部自帶誤差放大器和 5V參考基準電壓源。輸出死區(qū)可調(diào)， 具有 500mA 的驅動能力。其原理圖如下所示： 這是一個 BUCK 斬波電路， 輸出電壓 VOUT 經(jīng)過 R2， R3 分壓后，與 VREF 經(jīng)過 R1 分壓后的電壓比較當兩者達到相同的值時，輸出電壓穩(wěn)定，且輸出電 壓為：? ?2 3 2( ) /OUTV V R R R???，（ V? 為 TL494 第 2 腳電壓）。 當負載電阻減小時，輸出電流增大，則 R8 兩端的電壓增大，使得誤差放大器 2 的負相端電壓增大，正相端電壓不變，控制輸出波形的占空比減小，因此 輸出電流減小 。當負載增大時，輸出電流減小，電阻 R8 壓降減小，誤差放大器 2 負相端電壓減小，使 輸出 PWM波的占空比增大，從而輸出電流增大。 +1IN11IN2Commp3DC4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12OC13Vref142IN15+2IN16U1TL494Q1IRFP9540R6200+24VCCT2500uHD1HERF307GND+C14700ufGNDC3R131KVSSVSSVSSVSSR12VSSR9 1MR7 47KC2 104R10 VREFR1 103VSS VREFR2R3GNDVOUTR11R5R4T1CZVOUT+12VCC12P1LOAD1R8GNDAD_INAD_INDA_OUT 圖 21 BUCK電路原理圖 這是一種改變電壓，達到恒定電流的方式。該方案具有功耗損耗小、 體積小、效率高等優(yōu)點。但是，由于這是一種改變輸出電壓恒定電流的方式，難保證輸出電壓在 10V 以內(nèi)變化，而且開關電源控制電路結構復雜，輸出紋波較大，不易達到題目的精度要求。 方案二：利用線性集成穩(wěn)壓器件構成恒流源 線性穩(wěn)壓電源是一種輸入大于輸出的穩(wěn)壓器件，且反應速度快，輸出紋波小。由于調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下，所以發(fā)熱較大，效率也較低。線性穩(wěn)壓電路的 系統(tǒng) 原理 圖如下所示 ： C2RLC1VINR2GNDIqVOUTVxxVINGNDOUTU 圖 22 線性穩(wěn)壓電路 綿陽師范學院 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 4 如圖 13 所示： U 是一個三端穩(wěn)壓器件， VIN是輸入電壓， VOUT 是輸出電壓， 則輸出電流： 其中： qI 為穩(wěn)壓器靜態(tài)電流。 一般為 5mA 10mA。 該方案結具有構簡單，便于實現(xiàn)，輸出電流紋波小的優(yōu)點，但是 不能實現(xiàn)輸出電流可控的目的。 方案三：利用 控制 MOS 管實現(xiàn)恒流 MOS 管也稱為場效應管，是一種小電壓控制大電流的器件。由于在 MOS 管的G極加一個電壓就可以控制 MOS 的通道狀態(tài)。所加的電壓不一樣，其 MOS管的導通內(nèi)阻 就不一樣。因此可以控制單片機輸出 DA 值到 MOS 管的 G極， 然后采樣精密電阻兩端的電壓，經(jīng)過單片機計算后再輸出一新的 DA 值，從而穩(wěn)定輸出電流 。 其系統(tǒng)流程圖如下所示 : DA 輸出初始值 AD 采樣電壓 C PU 運算處理 DA 輸出 開始 恒流 圖 23 MOS管恒流 流程圖 2XXOUT qVIIR??綿陽師范學院 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 5 3 理論分析與計算 PID 控制算法原理 模擬 PID 控制算法 將偏差的比例（ Proportion ）、積分（ Integral ）與 微分（ Differential）通過線性組合對被控對象進行 控制 、調(diào)節(jié)， 這樣的控制器稱 為 PID 控制器。 模擬 PID 算法的原理為給定量 r(t)與實際 輸出值 y(t)相 比較 ,其差值 為 e(t)= r(t) y(t),這個差值作為 PID 控制器 的輸入信號。經(jīng)過 PID 控制器的 調(diào)整后輸出控制 實際 信號 ()ut ， 該信號為被控制對象的輸入信號。 從而 減小兩者之間的誤差。 所以模擬 PID 控制器的控制規(guī)律為 01 )t d e ( t)u ( t) K p e ( t) e ( t d t TdTi d t??? ? ?????? 公 式 （ 31） 其中： Kp ―― 比例系數(shù)。 Ti ―― 積分系數(shù)。 Td ―― 微分系數(shù)。 因為微 處理器 是一種采樣控制 器件 ， 不能像模擬 PID 那樣連續(xù)控制，只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量 。所以只能使用數(shù)字式 PID 控制，其中數(shù)字 PID控制又分為位置式 PID 算法 與增量式 PID 算法。 其 控制系統(tǒng) 圖如下所示： y ( t ) r ( t ) + + + — + x ( t ) e ( t ) 比例 積分 微分 被控對象 圖 31 PID控制框圖 數(shù)字式 PID 控制算 法 將 PID 公式進行離散化處理： 以 T 為采樣周期， k 為采樣序號，那么連續(xù)時間可用離散采樣時間 KT 表示，再利用矩形法 數(shù)字積分近似代替積分，將一階后向差分近似代替微分，則有下式 ： ( 0 , 1 , 2. ... ..)t k T k?? 公 式 （ 32） 綿陽師范學院 2020 屆本科畢業(yè)設計（論文） 6 0 00( ) ( )kkttjjje t d T e jT T e??????? 公 式 （ 33） 1( ) ( ) [ ( 1 ) ] kkeed e t e k T e k Td t T T ?????? 公 式 （ 34） 將上述三式代入式 21 得到 : 10[]k kkk p k jj eeTu K e e TdTi T???? ? ?? 公 式 （ 35） 再 簡化 為 ：