0  引言

　　恒流源、交流恒流源、直流恒流源、電流發(fā)生器、大電流發(fā)生器又叫電流源、穩(wěn)流源，是一種寬頻譜、高交流穩(wěn)流電源，具有響應(yīng)速度快、恒流高、能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負(fù)載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點(diǎn)。

　　恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源?，F(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了對(duì)恒流源的需求。在LED照明應(yīng)用中，LED對(duì)電流的敏感度高，因此，性能良好的恒流源可以極大地提高LED的使用壽命，本文主要介紹了一種多路輸出程控恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該恒流源每一路輸出電流在O～3.5 A可選，可滿足多種使用需求。

1 程控恒流源電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用3路恒流源并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，每路電流輸出大小可以獨(dú)立控制，并由自己獨(dú)立反饋控制回路，能自行穩(wěn)定其輸出電流。電流輸出形式多樣，可以3路同時(shí)工作，每路輸出電流大小保持獨(dú)立；在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，也可以3路分時(shí)工作，以避免電路元件工作在長(zhǎng)時(shí)間、大電流狀態(tài)下疲勞性損壞。同時(shí)，采取每通道模擬部分單獨(dú)成PCB板，可以適應(yīng)通道擴(kuò)展要求。

　　本文所提出的程控恒流源是以單片機(jī)為，通過與電壓電流轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)電流可預(yù)置、可連續(xù)調(diào)節(jié)的功能，該系統(tǒng)主要包括兩大部分：數(shù)控模塊和直流電源模塊。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 直流電源模塊的設(shè)計(jì)

　　該恒流源采用Buck電路，前端采用電源模塊輸入，電路簡(jiǎn)單，易于控制。Buck電路是應(yīng)用很廣泛的降壓電路，主電路由不受控整流管、電感、開關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)由開關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的斬波；輸出側(cè)由電感、電容組成二階濾波網(wǎng)絡(luò)，可以減小輸出電壓、電流紋波。

　　圖2中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，整流管截止時(shí)，忽略開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，電感L兩端的電位為VIN和輸出電壓VO，且近似保持不變，故電感電流線性增加，此時(shí)在電感中儲(chǔ)存能量。若電容C兩端的電壓比輸出電壓略低，則電源還需為電容充電，在電容中儲(chǔ)存一定的能量。此過程負(fù)載消耗的能量由電源提供。這一過程負(fù)載RL消耗的能量由電感L和電容C提供。其中，控制芯片提供反饋控制用以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

　　Buck調(diào)整器可工作于連續(xù)和不連續(xù)模式下，但是Buck型輸出濾波器的拓補(bǔ)會(huì)在不連續(xù)模式下出現(xiàn)問題，電感電流也保持連續(xù)。直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時(shí)對(duì)應(yīng)臨界連續(xù)，所以

 　其中，Vin是輸入電壓，Vout為輸出電壓，fs是開關(guān)頻率，因?yàn)樵撾娐穼?duì)紋波要求高，選擇了L較大，為10 mH。

　　濾波電容C的選擇取決于紋波電壓的大小，而紋波大小又由電容ESR和電感電流紋波△IL決定，所以要選取合適的COUT，以化電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)值。通常情況下，電容的取值可由以下公式獲得： 

　　Ion是輸出電流，Vor是紋波電壓。

1.2 程控模塊設(shè)計(jì)

　　XCl64CM片機(jī)是德國(guó)SIEMENS公司推出的增強(qiáng)型16位單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)新、性能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)。該單片機(jī)能提供為8位或10位，集成采樣和保持電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；擁有PWM產(chǎn)生模塊，在不同的工作模式下可靈活產(chǎn)生PWM信號(hào)或記錄事件，使恒流源電路簡(jiǎn)化，利于電路控制。

　　程控模塊主要由包括LED數(shù)字顯示、編碼開關(guān)、串口通信等功能的單片機(jī)系統(tǒng)組成。模塊的主要功能是按給定的電流值，提供調(diào)節(jié)輸出電流所需的PWM波。

　　顯示電路采用普通4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，用芯片MAX7219驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。MAX7219是一個(gè)高性能的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極LED或64個(gè)獨(dú)立的LED。

1.3 信號(hào)采樣調(diào)理電路

　　信號(hào)采集調(diào)理模塊包括采樣電路、信號(hào)調(diào)理電路和過電流保護(hù)電路。測(cè)試回路的電流進(jìn)入信號(hào)采集和調(diào)理電路，在信號(hào)采集和調(diào)理電路中對(duì)電流信號(hào)通過電阻采樣，進(jìn)行I／V轉(zhuǎn)換變成滿足A／D輸入范圍的電壓信號(hào)。過流保護(hù)電路在電路故障時(shí)啟動(dòng)。

　　信號(hào)采集通過電阻分壓的方式采集輸出電壓，通過后端電阻的I／V轉(zhuǎn)換，可以采集實(shí)際的輸出電流。采集的模擬電壓，經(jīng)放大器LM358，輸入單片機(jī)的AD輸入口，與基準(zhǔn)電壓相比較，用PI算法控制PWM的脈沖寬度，調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)恒流輸出，電路如圖3所示。

　　在電流輸出端接上采樣電阻，由電流輸出端采集到的經(jīng)分壓處理后得到采樣反饋信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由運(yùn)放后送入單片機(jī)。單片機(jī)ADC模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，獲得的電流值送入LED顯示。

1.4 PWM驅(qū)動(dòng)電路

　　XCl64CM系列中的幾款產(chǎn)品具有捕獲比較單元6（CAPCOM6），該單元由帶有3路捕獲／比較通道的定時(shí)器T12和帶有1路比較通道的定時(shí)器T13組成。

　　在該電路中采用了MC34152，該器件是雙轉(zhuǎn)換高速驅(qū)動(dòng)器，專門設(shè)計(jì)用于連接低電流數(shù)字電路與功率MOSFET，具有低輸入電流，可以與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和晶體管-晶體管邏輯（TTL）電路相容。具體框圖如圖4所示。

　　從圖4中可以看到，引腳2、4為信號(hào)輸入端，引腳5，7為同相輸出端，每個(gè)推挽電路驅(qū)動(dòng)輸出端的輸出和吸收電流能夠達(dá)到1.5 A。產(chǎn)生的PWM信號(hào)用光耦隔離，隔離電壓沖擊及噪聲串?dāng)_串口通信電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　多通道恒流源系統(tǒng)軟件共分為5個(gè)部分：初始化程序；通道電流設(shè)定、顯示程序；電流閉環(huán)PI控制；過流檢測(cè)關(guān)斷程序。圖5是控制軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

　　單片機(jī)上電后先經(jīng)過初始化程序完成各控制單元的初始化配置，初始化設(shè)置之后，程序進(jìn)入模式選擇，主程序在判斷模式后，檢測(cè)編碼開關(guān)輸入或遠(yuǎn)程串口輸入，獲得電流設(shè)定數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此時(shí)數(shù)碼管顯示設(shè)定電流值。軟件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，當(dāng)電流超過值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

3 測(cè)試結(jié)果

　　測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在0～3 000mA范圍內(nèi)，輸出電流值與設(shè)定電流值誤差較小，其變化均在允許范圍內(nèi)。說明恒流源的電源容量充足，由數(shù)控模塊控制的恒流源模塊線性良好，較高。

4 結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)證明，利用XCl64CM的強(qiáng)大捕獲比較單元和AD單元簡(jiǎn)化了硬件電路，用多級(jí)保護(hù)隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，過流保護(hù)迅速可靠，穩(wěn)定性、重復(fù)性較好，并具有操作方便，顯示直觀等特點(diǎn)，使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的工作性能達(dá)到了令人滿意的水平。