高精度程控直流电流源的设计与实现

刘 洪， 赵若晴2， 李 姗， 武和雷

(1.南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031； 2.南昌大学 际銮书院，江西 南昌 330031)

随着集成电路和网络技术的飞速发展，直流电源逐渐进入数字化和智能化的时代。传统的模拟电源大多是由纯模拟电路组成，其电路参数一般不可调节，且电路中经常采用大量的电阻、电容、晶体管等分立元器件，致使电源制作完成后的体积非常大，不利于后期的安装与维护[1]。稳定性是判定电源好坏的一项重要指标，研制稳定度不高的电源对工业生产毫无价值。另外，由于空中存在着大量电磁波的干扰，相对于数字电路来说，模拟电路受环境影响较大，抗干扰能力弱得多，因此难以保证电源的精度。近年来，高精度程控直流源的占有率在直流电源市场有了显著提升，国内厂商生产的直流电流源一般输出范围窄、电流精度低、纹波电流较大，主要适用于一些要求不高的用户，难以满足一些条件苛刻的应用场合。而国外的电源种类虽多，且具有高精度、低噪声、纹波小等特点，但价格昂贵，性价比不高，不适于广泛使用。

所介绍的程控电流源，它不仅输出范围宽、纹波小，而且精度高，其最大可输出25 A大电流，通过上位机软件可以设定电流的大小，并且电流的精度可达0.01%，稳定度达0.003%。硬件电路是以STM32F103微控制器为核心，设计双闭环结构，内环实现V/I转换功能，依据闭环负反馈的原理进行稳流。外环主要由A/D转换电路组成，微控制器读取转换结果并根据相应算法调整D/A模块的输出，即内环的输入信号。经实验证明，该电流源可靠性高、操作简单，人机交互界面友好。

1 硬件电路设计

选用ST公司推出的STM32F103控制芯片作为整机的控制核心，它使用了先进架构的ARM-Cortex-M3内核，该内核集高性能、低功耗、低成本于一体，并配有串行通信接口[2]。整个硬件系统主要由STM32最小系统、D/A模块、V/I转换电路以及A/D模块等组成，V/I转换电路又包括PI控制器、达林顿电路以及功率输出电路。为了提高电源的精度和稳定度，有些模块之间需要加入二阶巴特沃斯滤波电路和放大器运算电路，滤波电路是滤除电压信号的杂波，运算电路是为了使A/D芯片的输入处于线性度最好的中心部分，这样可以提高控制精度，图1为整个系统的控制框图。

图1 控制系统框图

上位机与STM32主控芯片之间通过以太网通信控制器芯片ENC28J60进行TCP/IP通信，实现数据的有效传输，达到控制硬件系统的目的。STM32控制电路与D/A模块和A/D模块之间都有光耦隔离电路，其目的是将输入与输出予以隔离，既能实现电平转换，又可以保护主控芯片不至于因电压过高而损坏。基于运算放大器的PI控制器是内环的控制中心，不断采集取样电阻上的电压并调整输出电流，最终稳定输出电流。保护电路的原理是将取样电阻上的电压作为窗值比较器的输入，用于过流保护，当输入电压不在窗值内时，软件上会将控制信号置零，硬件上会断开电源，从而保证硬件系统和操作员的安全。电源模块是必不可少的，小功率电源是由市电变压、全桥整流、电容滤波后接三端稳压器稳压输出，为整个系统提供供电电压[3]。而大功率电源是由扩流电路产生，而且需要定制一个功率为300 W的变压器。

1.1 D/A转换电路

为了达到直流电流源的高精度和调节细度的要求，选用LTC1595B芯片，它是一款16 位的抗干扰能力强的D/A转换芯片，其模拟输出达到稳态值所需的建立时间仅为2 μs，它采用SPI时序，有3个转换控制端，其中CLK为时钟端，SRI为数据输入端，LD为数据锁存端[4]。它是一种串行乘法数模转换器，其参考电压可由MAX6225芯片输出2.5 V基准电压再经过反向放大器得到，芯片的CLK/SRI/CS引脚分别通过光电隔离电路与STM32F103相连，受CPU控制。图2为LTC1595B的典型接法，RFB引脚通常连接在运算放大器的输出，根据其内部原理，可以知道UU2的输出脚对地的电压计算公式为

(1)

式中，VREF为引脚1的参考输入电压，这里是-2 V;D表示与上位机进行通信时，发送的十六进制数转化后的十进制数，它的最小可分辨电压为2/65535 V=0.0305 mV。比如上位机发送的是FFFF，则将D=65535代入计算公式，VSet_DA_V为2 V；当设为7FFF时，此时D=32767，则VSet_DA_V为1 V，以此通过发送十六进制指令来控制D的值，从而实现VSet_DA_V的0～2 V可调。

图2 D/A转换电路

1.2 V/I转换电路

V/I转换电路是整个电流输出模块的核心部分[5]。它实际上是建立了输出电流与D/A转换后的输出电压之间的一种线性对应关系，并且输出的直流电流很稳定，不会随着负载的变化而变化。电路是在传统的V/I转换电路的基础上增加了基于运算放大器的PI调节电路，使得输出电流得以快速调节和稳定输出，图3为V/I转换电路的原理图。由于最高要求输出25 A大电流，而运放的输出电流比较小，所以采用达林顿电路来提高电流放大倍数。末级采用6个功率管并联(图中画出两个)，并在其发射极串联一个阻值为0.05 Ω的小电阻起平衡多路电流的作用。对于大电流输出时，由于大功率会产生大量的热从而造成自升温，功率管的稳定性将大幅度降低，所以需安装涂有散热膏的散热器[6]。以下通过计算阐述V/I转换电路的工作原理：假设流过标准采样电阻Rfx(x=1,2,…,6)的电流值为I0，则反馈电压Uf=I0×Rf。

Uf经过一级反向运算放大器得到电压：

(2)

根据放大器U1的“虚短”和“虚断”原理，得

(3)

再由初始条件U1=0，整理后得

(4)

电阻R1、R2、R10、R12、Rf经确定后为定值，由式(4)

可知：输出电流I0与设定电压Vi成线性关系，而Vi是DA输出电压，由上位机程序控制。这里取R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R10=10 kΩ，R12=100 kΩ，若Rf=1 Ω时，代入数值计算可以得出I0=100 mA。

当使用继电器切换标准采样电阻Rf时，在电源可提供足够功率的前提下，可以得到不同数值的稳定直流电流，这里设置10 mA、100 mA、1 A、5 A和25 A 5个挡位。采样电阻Rf的切换可使用多个继电器来控制，继电器的控制电路是由引脚28的ENC28J60以太网控制器和移位寄存器6B595组成，上位机发出指令后再通过三极管开关电路完成采样电阻的选择[7]。操作整个系统，可以分为两步：先根据所需输出电流选择合适挡位，再设定D/A模块的输出电压，就可以完成一次电流输出。所以该电流源操作简单，效率高。

图3 V/I转换电路

1.3 扩流电源设计

电源设计的难点在于V/I转换电路的供电电源，因为最大需要输出25 A大电流，用普通的稳压电源是不可能实现的，因此需要设计一个能输出大电流的直流电源电路。LM317的扩流方式主要分为晶体管扩流、电阻扩流和并联扩流[8]。这里采用LM317的晶体管扩流法，扩流管选用2SA1943大功率PNP型晶体管，一般其集电极电流最大可高达十几安培，但为了安全及稳定性起见，电流不宜过大，这里设定为5 A，所以需要5个PNP管并联(图中画出两路示意)，并在其发射极串接一个0.05 Ω的水泥电阻IR1～IR5，起多路平衡电流作用，电路如图4所示。电阻R3是三端集成稳压器的泄流电阻，其值一般为几Ω或几十Ω，当输出电流小于LM317所能提供的电流时，仅LM317工作；当所需输出电流过大时，LM317与外接PNP一起工作，为电路提供足够的电流。R2为外部引入电阻，由于LM317的GND脚电流很小，手册上的典型值为50 μA，达不到稳压管的工作电流要求，所以需要从输入端引入一个恰当的电阻使得稳压管能起到基准电压的作用。

由于最大输出电流要求是25 A，若单独采用电容滤波，根据公式RLC≥(3～5)T/2，其中T为电网电压周期，则电容量需要高达10×104μF，而大电容产生的尖峰脉冲宽度很窄，对整流桥的破坏特别大。故电容滤波不适用于大电流的场合，这里采用电感电容滤波，并要求在整流器上安装涂有散热膏的散热器。

2 软件程序设计

图4 扩流电路

图5 电流调整流程图

3 实验测试

通常，用基本误差来衡量仪器的精度，其计算方法主要有3种：绝对误差、相对误差和引用误差，最普遍的是引用误差。本次测试工具为安捷伦有限公司生产的六位半的高精度数字万用表34410 A，该万用表的精度为0.01%，可检测的直流电压量程为100 mV～1000 V，可检测的直流电流量程为10 mA～3 A。当测量小电流时，可直接将万用表串入V/I转换电路中，显示的值即为实际的电流值；而当测量大电流时，需要串入一个0.001 Ω/1 W的标准电阻，再用万用表测量标准电阻两端的电压值，从而间接得出直流电流的值。图6为电路设计完成后的实物接线图，测量结果见表1，其中Is表示电流设定值，It表示实际测量值，σ为电流精度，τ表示纹波电流，其中电流精度的计算公式为σ=|It-Is|/量程。纹波电流其实就是夹杂在输出直流电流中的交流成分，用安捷伦高精度数字万用表34410A的交流挡可以直接测量纹波。

图6 实物测试图

量程IsItσ/ %τ/mA10mA10.00009.999740.00260.00037.50007.499810.00190.00025.00004.999760.00240.00022.50002.499690.00310.0001100mA100.000099.99800.00200.002875.000074.99660.00340.002250.000049.99640.00360.001425.000024.99760.00240.00081A1.000001.000040.0040.0290.750000.750050.0050.0220.500000.500040.0040.0150.250000.250060.0060.0085A5.000004.999650.0070.1243.750003.749690.0060.0962.500002.499730.0050.0731.250001.249710.0060.03725A25.000025.00250.0100.73520.000020.00240.0100.57315.000015.00220.0090.43610.000010.00210.0080.287

实验测试结果表明，该电流源受上位机软件的控制，并能按照设定值正常输出稳定的直流电流。若闭合0.1 Ω电阻的继电器，即选为1 A挡位，再设置D/A的控制量D为FFFF，期望的电流为1 A，当设置D为7FFF时，期望的电流为0.5 A。由表可知，在各个挡位输出电流均都能满足0.01%的精度要求，同时纹波电流随着输出电流的变化在允许的范围内波动，证明该直流电流源的稳定性较好。由此可得，所设计的直流电源满足JJG(航天)38-1987《直流标准电流源检定规程》的要求。

4 结束语

采用双闭环控制方式，并根据最大输出电流合理地设计了扩流电源，使得直流源在输出大电流的时候仍然保持很高的精度，在实际中也得到了很好的验证。内环采用电压串联负反馈，使输出电流的稳定度达到0.003%的要求；外环根据A/D采样结果，由微控制器去调整D/A转换电路的输出电压，从而调整输出电流值，使得输出电流的精度达到0.01%的要求。内外环的相互配合使得输出电流的精度和稳定度都得到了很大的提升。同时，PI控制还改善了输出电流的动态特性，减少输出电流达到稳态值的建立时间，使系统能够快速响应。