基于降壓式斬波電路的基準恒流源設計

肖林京 公棟梁 于志豪 常 龍

(山東科技大學機電學院，山東 青島 266590)

基于降壓式斬波電路的基準恒流源設計

肖林京 公棟梁 于志豪 常 龍

(山東科技大學機電學院，山東 青島 266590)

以控制芯片TL494為核心，設計了一款電流調節區間在0～10 A的恒流源系統。系統基于降壓型斬波電路，主要用于鋰電池電源管理系統的放電試驗。工作時，TL494電路生成的PWM信號經IR2110電路驅動后，控制場效應管開關，實現降壓式主回路的導通、閉合。改變TL494電路的輸入電壓可調整生成的PWM信號的占空比，從而達到電流可調的目的，而串聯在電流主回路中的霍爾電流傳感器反饋信息到PI調節電路，構成閉環控制，使電流恒定。利用Simulink對系統進行仿真，并根據仿真結果進行試驗，實測數據表明，該恒流源可輸出穩定度優于0.01、相對誤差小于1%的穩定電流。

TL494 恒流源 閉環控制 Simulink 斬波電路 穩定度

0 引言

從電真空器件到集成電路，恒流源經歷了幾十年的發展，在各個領域有了豐富的應用[1]。目前，比較智能的恒流源系統如電子負載等價格都比較昂貴，在進行蓄電池簡易放電試驗時，需要一件低成本的恒流源設備。恒流源的設計方法一般有3種：利用穩壓源和電阻構成、利用恒流器件構成和利用負反饋放大器構

成[2]。本文采用第二種方法，通過PI控制電路對霍爾電流傳感器負反饋與給定量差值的控制，調節電流源穩定輸出。系統結構簡單、經濟耐用，主回路直流電壓小于等于24 V，輸出電流范圍為0～10 A。

1 恒流源電路結構與原理

恒流源系統的設計思想如圖1所示，圖1(a)所示結構框圖和圖1(b)所示功能框圖一一對應。

圖1 系統的主要設計思想

由圖1可以看出，恒流源系統由TL431基準電路、PI調節電路、TL494發生電路、IR2110驅動電路和Buck主回路組成，分別實現給定基準、調節占空比、生成PWM信號、驅動MOSFET開關和提供電流回路的功能。

1.1 功率主回路

功率主回路采用降壓式的DC-DC拓撲結構，即Buck電路，如圖2所示。

圖2 Buck變換器主電路

電路主要由電感、電容、負載、二極管、場效應管、霍爾電流傳感器和相關保護電路構成，其中電感由4 mm2電線繞制而成，場效應管選擇兩個安裝有散熱片的IRF540芯片,保證散熱性和可靠性。TL494控制電路產生的PWM信號，經IR2110電路驅動后輸出到IRF540的門極，控制主回路的通斷。開關導通時，電流流經電感L1并存儲能量；開關閉合時，電感L1通過二極管D1釋放能量[3]。并聯在IRF540兩端的RCD吸收電路和穩壓二極管D3和D4構成限幅器，分別用來降低關斷損耗和保護場效應管不被擊穿。

霍爾電流傳感器HFK200BS與負載R串聯在輸出回路中，輸出電壓UH與測量電流I的關系為：

(1)

負載兩端電壓UR與霍爾輸出電壓UH關系為：

UR=200×(UH-2.5)×R

(2)

依據UR與UH的關系，將霍爾傳感器輸出端接入運算放大器，與2.5V基準電壓經減法運算器后再放大200倍，然后作為反饋信號接入PI控制電路。當R取1Ω、電流小于10A時，反饋電壓介于0～10V之間。

1.2 信號基準電路

信號基準電路主要由TL431芯片及分壓電阻構成，旨在為系統提供精確的給定電壓，使設定的電流值更加準確。TL431是一個具有良好熱穩定性能的三端可調分流基準源，提供2.5V的基準電壓，利用分壓原理，可輸出0～36V范圍內的電壓。系統設定的給定電壓為0～10V。

1.3PI調節電路

PI調節電路是閉環系統的重要組成部分，主要由運放芯片LMV324構成，用于消除穩態誤差、抵抗干擾，使系統能提供精準穩定的電流。電路的輸入端是兩個電壓跟隨器，輸入阻抗高、輸出阻抗低，有良好的緩沖隔離作用[4]。相應的輸入信號是反饋電壓和基準電壓。反饋電壓由串聯在主回路中的霍爾電流傳感器經變換后給出，是反映電流大小的電壓量；基準電壓由基準電路給出，用來設定電流大小。電壓跟隨器的輸出經PI調節接入TL494的反饋端，對PWM信號的占空比進行調節。比例系數和積分系數分別由串聯后接在運放兩端的電阻R和電容C的值確定，具體數值將在后文分析中給出。

1.4PWM產生電路

主回路中開關管的導通和關閉需要高低電平變換的驅動信號來完成，這里采用PWM信號，由TL494芯片生成。TL494是一種固定頻率的脈寬調制電路，內部集成振蕩器、死區時間比較器、脈寬調制比較器和D觸發器等電路，使用時外接相應的電阻、電容即可產生PWM信號。為方便調試，設計中并未使用TL494自帶的誤差放大器，而是使用了外接的LMV324運放電路。將誤差放大器反相輸入端(2、15管腳)接5V參考電壓(14管腳)，同相輸入端(1、16管腳)接地；反饋輸入端(3管腳)接PI控制器的輸出，用來調整PWM波形占空比；死區控制端(4管腳)接地，使輸出的PWM信號的最大占空比為96%；輸出控制端(13管腳)接地，關閉雙穩觸發器，使輸出脈沖頻率等于振蕩器頻率。C9和R10構成鋸齒波振蕩電路，振蕩頻率為：

(3)

工作時，鋸齒波振蕩電路產生的鋸齒波經芯片內部電路變換成方波輸出，占空比與3管腳輸入的反饋電壓大小成反相關。當反饋電壓從0.5 V變化到3.5 V時，輸出的脈沖寬度從被死區確定的最大導通百分比時間下降到零。因為TL494內置晶體管的結構原因，使得集電極C1和發射極E1(8管腳和9管腳)間的管壓降略高。為了更好地驅動MOSFET，在集電極C1外加二極管和三極管，使PWM信號的低電平更低一些；同時接上拉電阻到Vref端。

1.5 PWM驅動電路

由TL494電路生成的PWM信號驅動能力較弱，在驅動開關管前需接入專門的驅動電路。一般采用推挽電路或專用驅動芯片，鑒于主回路中MOSFET開關導通時電流較大、功率較高，選取專用集成芯片IR2110實現。IR2110集成度高、響應快、驅動能力強，兩個通道LIN和HIN可同時驅動2個場效應管(圖2中的Q1和Q2)一致動作，能很好地滿足試驗要求。

使用IR2110電路驅動時，應注意限流電阻的選取。電壓給定的情況下，限流電阻決定了驅動電流的大小，也就決定了MOSFET開關導通關斷的快慢。MOSFET開關導通過慢，會使器件功耗升高，同時影響占空比；MOSFET開關關斷太快，又會使門極和源極之間的瞬時電壓過高，影響器件壽命。

2 試驗與分析

如圖3所示，硬件電路設計好后，根據Buck電路的結構寫出系統的傳遞函數，并通過改變比例系數和積分系數來確定PI調節電路中電阻R和電容C的值。

圖3 系統傳遞函數與仿真

首先，確定比例參數P。在開關調節系統中,為防止系統超調或振蕩，不適合選擇數值較大的比例參數。圖4示出的是積分系數為100、比例系數不同時系統的階躍響應曲線，圖5所示為系統靜差曲線。

圖4 系統階躍響應曲線

圖5 系統靜差曲線

從圖4和圖5可以看出，比例系數取30時系統超調最大，但靜差最小, 比例系數取500時系統超調最小，但靜差最大。考慮穩定性和準確性, 選取比例系數為100，即R=100 kΩ。

其次,是積分參數I的選取。系統中的積分系數一般也不宜取得太大,否則影響系統穩定性。圖6給出的是比例系數為100、積分系數不同時系統的階躍響應曲線。從圖6可以看出，比例系數為500時系統響應最快，但超調最大；積分系數取50時系統超調最小，但響應最慢。考慮穩定性和快速性，選取積分系數為100，即C=1 nF[5]。

圖6 P相同、I不同時的系統階躍響應

確定好PI調節電路的參數后，將整個系統進行硬件連接、調試和測量，以驗證系統性能的好壞。測量時，使用高精度金屬殼散熱式電阻作為負載，每6 s記錄一次數據，40 min共得到400個測量數據。此處僅以2.5 A、5 A、7.5 A、10 A的電流大小曲線為代表予以驗證，如圖7所示。

圖7 40 min內電流大小取樣圖

每分鐘的電流值是1 min內10個采樣點的平均值。從圖7可以看出，電流基本在設定的電流值±0.1 A的范圍內。根據電流穩定度的定義,電流穩定度是指電流標準差與平均電流的比值，即[6]：

(4)

根據相對誤差定義,相對誤差是指測量值與真實值之差與真實值的比值，即：

(5)

式中：I為測量值；I′為設定值。代入數據，將每分鐘電流的相對誤差求出后再求平均值，求得電流為2.5A、5A、7.5A、10A時的相對誤差分別為0.320%、0.184%、0.273%、0.236%。

3 結束語

本文設計了一款基于Buck電路的恒流源系統，利

用運放芯片LMV324和霍爾電流傳感器HFK200BS代替單片機進行取樣反饋，簡化了設計，降低了成本。PWM驅動芯片采用體積小、速度快的IR2110，減少了開關管損耗，增加了系統耐用性。良好的散熱性能和負反饋調節，保證了系統的穩定性。使用該恒流源對容量低于100Ah的鋰離子蓄電池進行放電特性測試，能有效獲取蓄電池部分性能參數,實現對電流檢測的校準等功能。

[1] 穆云田.基于單片機控制的直流恒流源的設計[D].天津：河北工業大學，2007.

[2] 周凱鋒.30A高精度交直流恒流源的研制[D].昆明：昆明理工大學，2002.

[3] 李永康.帶PFC的照明LED恒流源的研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[4] 康華光.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：29-30.

[5] 胡曉軍，張逸成，姚永濤，等.基于TL494的恒流電源設計[J].電氣自動化，2008，30(4)：15-17.

[6] 汪雨凌.25A恒流源系統實驗研究與設計[D].長春：吉林大學，2006.

Design of the Reference Constant-current Source Based on Buck Chopper Circuit

With the control chip TL494 as the core, the constant current source system within the adjust ingrange of 0～10 A has been designed. The system is based on buck chopper circuit, mainly used for discharge test of the Lithium battery power management system. In operation, the PWM signals generated by TL494 circuit are driven by IR2110 circuit, then implements on-off of the buck main loop by controlling FET switch. The duty cycle of the PWM signals can be adjusted through changing the input voltage of TL494, thus the current can be adjustable; the Hall current transducer that connected in series in main current loop feedbacks information to PI regulation circuit and builds the closed loop control to make the constant current. The system is simulated by adopting Simulink, and the test is conducted in accordance with the simulation result. The practical test result indicates that this constant current source can output stable current with stability of 0.01, and relative error less than 1%.

TL494 Constant-current source Closed-loop control Simulink Chopper circuit Stability

山東省科技發展計劃基金資助項目(編號：2012GSF11606)。

肖林京(1966-)，男，2001年畢業于北京科技大學機械設計制造及其自動化專業，獲博士學位，教授；主要從事機電傳動與控制技術、仿生摩擦學、散料輸送技術、新能源技術與裝備等方面的教學與研究工作。

TH89;TM933

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510020

修改稿收到日期：2014-09-23。