代码：LG-3-本-D
2010年TI杯四川省大学生电子设计竞赛
设计报告书
设计题目：高效数控恒流电源（D题） 参赛队代码：LG-3-本-D 竞赛时间： 2010-7
高效数控恒流电源（D题）
摘要
本数控恒流源系统主要由恒流源控制电路、DC/DC变换电路和单片机控制部分三个功能模块组成。恒流源控制电路由硬件闭环稳流电路实现输出电流的稳定控制。DC/DC转换模块采用单端正激式DC/DC变换电路，可实现降压和升压的功能，扩大输入电压范围至8-20V。单片机控制模块以MSP430单片机为控制核心，结合键盘、DAC和LCD实现系统的控制和显示功能。
一、总体方案设计
1、方案论证与比较
（1）恒流源电路方案
方案1：采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，经MCU处理后送入DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值，再经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。
方案2：采用硬件闭环控制。硬件的闭环稳流的典型电路如图1所示，根据集成运放的虚短概念，可得到：
IL Vi/R1
式中IL为负载电流，R1为取样电阻，Vi为运算放大器同相端输入信号。
若固定R1，则IL完全由Vi决定，此时无论Vcc或是RL发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使IL保持稳定。
方案1最大的问题是：若输入电源电 压或负载发生变化，都需要经过一段时间调 整后才能使电流稳定。而方案2硬件电路不 仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出， 故本系统采取方案2。
图1 硬件闭环稳流电路
（2）DC/DC电压转换电路方案
最基本的斩波电路如图2所示，斩波器负载为R。当开关S合上时，Uout=Ur=Uin，并持续t1时间。当开关切断时Uout＝Ur＝0，并持续t2时间，T＝t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。定义斩波器的占空比D＝t1／T，t1为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从零变到Uin，也就是说输出电压可随D而改变。
(
(a) (b)
图2 降压斩波电路原理
在高频稳压开关电源的设计中，普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且其滤波器设计也比较困难。
DC/DC变换器有：降压式（Buck），升压式（Boost），单端正激式，单端反激式，双管正激式，双管反激式，半桥式，全桥式，推挽式等多种典型变换电路。虽然DC/DC转换电路很多种，但都具有各自不同的特点：
Buck和Boost电路虽然效率较高但不能同时实现降压和升压的双重功能。基于题目要求，电源部分需同时具有升压和降压的功能，故这两种电路此处不可取。兼有升、降压功能的 Buck-Boost电路要满足8~20V的要求颇为不易。
双管正激式、双管反激式、半桥式、以及全桥式DC/DC变换电路适合于大功率等级（200W以上）的电路，不太适合小功率电源电路。由本题设计要求：恒流源输出最大电压10V且输出电流范围为20~2000mA，即输出功率最大值为20W，属于小功率电源。因而以上电路不适合本设计。
推挽式隔离变换电路，使用两个管子进行推挽，变压器采用中心抽头连接，二次侧也是两相半波整流，因此相当于两个正激式变换电路在工作，这类变换电路较复杂，综合考虑本设计不使用该电路。
单端反激式单管变换器的电路，其输出的纹波电压比较大，若要减小纹波，需要加入复杂的滤波电路。本设计不采用该电路。
单端正激式变换电路因为其使用无气隙的磁芯，铜损低，感量较高，变压器的峰值电流较小，输出电压纹波低。适用于低电压大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。
综上所述，由于正激式开关电源电路结构简单、功率密度较高。所以本设计电源部分采取此电路。
2、系统设计框图
系统总体框图如图3所示，输入电压经DC/DC转换电路后输出为恒流源电路、单片机控制系统以及恒压源电路提供电源。恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能，用户通过键盘设定输出电流值，经MCU处理经 DAC转换为控制电压，传入恒流源电路，从而控制输出电流的大小。同时在LCD上显示系统的相关信息。此外系统中也扩展了恒压源电路。