一種大電流高精度電流源設計

楊韜悅，張士科，楊新華

（1.合肥工業大學宣城校區信息工程系，安徽宣城242000；2.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州730050）

一種大電流高精度電流源設計

楊韜悅1，張士科2，楊新華2

（1.合肥工業大學宣城校區信息工程系，安徽宣城242000；2.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州730050）

針對傳統電流源精度較低和難以擴展的問題，提出了一種大電流高精度電流源設計方法。在對設計方案進行分析的基礎上，采用大電流運算放大器和高性能控制器進行設計；針對精度和實時性要求，采用模糊PI控制方法；針對大電流輸出問題，采用多器件并聯方法，并解決環流問題；同時設置了多重軟件保護。實驗結果表明：該方案的電流源不但達到了技術要求，能夠穩定可靠工作，并且易于擴展。

高精度電流源；模糊PI；OPA549；AD7705

電流源是電子系統中常用的單元電路，廣泛應用于各種測控系統[1-3]。小電流的電流源可以用多種傳統的設計方法實現，技術指標也可以做得很好，但是對大電流精密電流源而言，傳統的設計方法難以滿足要求[4-7]。本文介紹的電流源是按照技術要求為某大型裝備設計的可控大電流精密電流源，設計指標如下：電流范圍0～50 A，并且能夠按照需要對輸出電流進行擴展；輸出電壓范圍0～1 V（0～50 A）；電流源電流大小通過0～10 V直流電壓給定，電流誤差小于0.5%，功耗不超過300 W（50 A），體積有限制，并且要盡可能小。

1 設計方案

按照電流源的技術要求，對電流的精度有較高的要求。在小電流情況下達到較高的電流控制精度比較容易，但在大電流情況下要達到較高的精度，有一定的難度，而且本設計中輸出電壓范圍很小（0～1 V），因此必須采用線性電路方案，并且要引入負反饋實現電流閉環控制；要求電流源通過0～10 V電壓可調，可采用數字控制方案。

綜合考慮，采用以下技術方案：由單片機完成整個電流源的控制，將0～10 V的電流給定信號通過A/D轉換器轉換為數字信號，通過單片機輸出數字給定信號，該信號經D/A轉換器控制輸出電流；輸出電路采用由大電流運算放大器構成的U/I轉換電路，大電流運算放大器采用TI公司的OPA549，該運算放大器可以輸出8 A電流，峰值電流可達10 A[8-9]。鑒于單片OPA549輸出電流有限，設計中采用輸出端多個OPA549并聯的方式擴展輸出電流，實際設計中采用12片OPA549并聯輸出；考慮到功耗的要求，結合OPA549的供電條件，設計中采用±5 V電源供電，同時考慮到輸出電流為正極性，因此在電源設計中正負電源分別采用不同電流容量的電源，其中正電源采用+5 V/60 A的開關電源供電，負電源采用-5 V/3 A的開關電源供電；考慮到電流源的控制精度和動態響應要求，以及控制算法的實時性要求，單片機采用Microchip公司的dsPIC30F2010，該處理器為16位高性能數字信號控制器，內含單周期硬件乘法器，可實現單周期乘-累計（MAC）操作，另外該處理器提供3個SPI接口，便于與其它具有SPI接口的器件實現串行通信，有利于簡化系統設計；DAC采用具有SPI接口的串行16位DAC，電流反饋ADC采用具有SPI接口的16位串行ADC；由于設計的電流源工作于強電磁干擾環境，系統設計中需要采取必要EMI/EMC措施[10-11]。

系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

圖1中0～10 V的電流給定信號經線性衰減后送入ADC進行A/D轉換，電流源輸出電流由高精度分流器檢測后經調理電路送入A/D轉換器進行A/D轉換，在控制器dsPIC30F2010內部設有PI控制器，由給定電流信號和反饋電流信號經PI控制器產生電流控制信號，經DAC電路產生控制電壓信號，通過對輸出級的控制輸出電流。

2 電路設計

2.1 輸出級電路

由于要求輸出電流達到50 A，而單片OPA549最大連續輸出電流為8 A，設計中采用12片并聯輸出的方式，電路如圖2所示，圖中只畫出3片OPA549并聯的情況，其它9片的連接方式相同。圖2中第一片OPA549做主芯片，其它的做從芯片，每個芯片輸出端串接0.1 Ω的電阻，起到限流作用，也避免OPA549輸出端出現環流問題，該電阻要選大功率電阻。圖中R1和R2對來自DAC的輸出電壓進行分壓，以保證加到負載上電壓滿足0～1 V的要求，R3和C1構成的低通濾波器用于減小電流紋波。

圖2 輸出級電路原理圖

2.2 電流采樣及反饋電路

圖3為電流采樣及反饋電路。由于電流源工作電流大，采用分流器對電流的采樣，為提高采樣精度，設計中采用0.2%高精度分流器。圖3中儀表放大器AD620用于對來自分流器的電流信號進行差動放大，該儀表放大器輸入電阻大，增益調節方便。R4、C3為低通濾波器，用于濾去信號中的高頻噪聲。A/D轉換電路采用具有SPI接口的16位A/D轉換器AD7705，REF192為AD7705提供精密電壓基準，以提高A/D轉換精度[10-11]。

2.3 D/A轉換電路

D/A轉換器采用具有SPI接口的串行D/A轉換器DAC8531[12]，限于篇幅，電路圖略去。設計中DAC8531和AD7705共用基準電源[13-15]，以簡化電路設計。

3 控制算法及軟件設計

3.1 控制算法

該電流源所在的設備使用環境復雜，設備工作時電磁干擾非常嚴重，同時由于負載存在一定的突變性。鑒于此，為了能夠在保持電流源動態性能的同時，使得控制器具有良好的實時性，電流源控制算法采用了模糊規則優化的PI控制。另外在硬件電路中加入調節器對輸出進行限幅。

系統給定電流值通過外部電壓信號輸入，經分壓、調理等電路進入ADC轉換為數字信號。實際工作時采用均值濾波抑制干擾，故等效采樣速率做到2 kHz。

調節器通過差值化運算，結合模糊規則表選取合適的PI參數值，經過運算將最終的輸出值通過高速DAC輸出，控制輸出電流。經實驗，確定參數P和I按照表1進行選擇。

圖3 電流采樣及反饋電路

表1 模糊規則表

根據實際應用需要，在調節輸出電流時為保證電流波動不要太大，每次輸出偏差調節范圍限制在DAC輸出范圍的1%以內。

3.2 程序流程圖

系統程序流程圖如圖4所示。圖中只給出主程序流程圖，子程序流程圖略去。

圖4 主程序流程圖

3.3 保護機制

電流源在運行中會遇到一些異常情況，例如負載斷開、采樣回路異常、輸出功率器件損壞、功率器件發熱異常等。為了保證設備的正常運行，在軟件方面引入三重保護機制：負載開路保護、功率器件輸出保護以及溫度保護。

負載開路保護。當DAC輸出非零數值0.5 s后電流采樣值始終為0，則視為負載開路，此時立即切斷輸出，待機1 s后繼續嘗試輸出，直至正常負載接入。

功率輸出保護。不間斷采樣功率器件輸出的電壓值，并與DAC輸出值進行比較，若兩路數值偏差過大，視為輸出功率器件異常，停止設備輸出，1 s后嘗試重新啟動設備。

溫度保護。利用溫度傳感器18B20實時采集散熱器溫度，當溫度超出80°C后停止輸出，待設備冷卻至50°C以下時嘗試重新啟動。

4 實驗及測試

對上述設計實現的電流源進行實驗測試，輸出電流最大可以達到近60 A，在0～50 A之間可以實現線性控制，誤差控制在0.3%之內，電路在強電磁干擾環境下可以長時間穩定工作，達到設計要求。

5 結 論

按照本文介紹的方法實現了大電流高精度電流源設計，技術指標達到設計要求，電路穩定可靠工作。利用本文介紹的設計方法還可以實現電流的擴展，擴展時只需根據需要增加輸出級并聯OPA549的個數，并增大+5 V電源的容量即可，電路連接方法相同。另外，通過處理器內部不同的控制算法，配合DAC電路，還可以實現其他任意波形的大電流輸出，當然受OPA549帶寬的限制，輸出波形的頻率范圍是有限的，此外，由于電路工作在線性狀態，功耗大，效率低。

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Design of high current and high precision current source

YANG Tao?yue1，ZHANG Shi?ke2，YANG Xin?hua2
（1.Department of Information Engineering of Hefei University of Technology Xuancheng Campus，Xuancheng242000，China；2.College of Electrical and Information Engineering of Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050，China）

According to the traditional current source with low precision and low extensibility，a design of high?current and high precision current source is proposed.On the basis of the analysis of the design，high?current operational amplifier and high?performance controller are employed in the design；the fuzzy PI controller is adopted to achieve the accuracy and real?time requirements；multi?device parallel method is used to deal with high output current，while the circulation problem of this method would be solved；besides，multiple software protection is set.The experiment shows that the current source not only meets the technical requirements，and can operate stably and reliably，but has excellent expansibility.

high precision current source；fuzzy PI controller；OPA549；AD7705

TN86

A

1674-6236（2017）22-0158-04

2016-09-19稿件編號：201609173

楊韜悅（1994—），女，甘肅蘭州人。研究方向：電子技術應用。