基于PWM技术的数控恒流源电路设计
现今，电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的a/d和d/a芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加。本文介绍一种基于avr单片机pwm功能的低成本高精度数控恒流源，能够精确实现0～2a恒流。
系统框图
图1为系统的总体框图。本系统通过小键盘和lcd实现人机交流，小键盘负责接收要实现的电流值，lcd 12864负责显示。avr单片机根据输入的电流值产生对应的pwm波，经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入adc。单片机根据采集到的值调整pwm输出，从而调整了输出电流。如此反复，直到电流达到设定要求。
图1 数控恒流源系统框图
模块介绍
1 人机接口模块
本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为3×4键盘，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的lcd 12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。由于这部分电路比较简单，在此不详述。
2 核心控制模块
系统的核心控制模块为avr单片机(atmega 16l)。主要使用了avr的pwm功能和a/d功能。
avr单片机片内有一个具有16位pwm功能的定时/计数器。在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值(top=0xffff)后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。当启用pwm功能即在单片机的快速pwm模式下，通过调整ocr1a的值可实现输出pwm波的占空比变化。产生pwm波形的机理是：pwm引脚电平在发生匹配时(匹配值为0～0xffff之间的值，如图2中的c)，以及在计数器清零(从max变为bottom)的那一个定时器时钟周期内发生跳变，具体实现过程如图2所示。
图2 pwm波产生过程
图2中的c～f为ocr1a匹配值。从图中可见，波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化，从而实现了pwm波。由于ocr1a的值可以从0x0000到0xffff，共有65535个值，因此pwm波的最大分辨率为1/65535，满足系统分辨率设计要求。pwm波的频率为：
(1)
其中，fclk_i/o为系统时钟频率 (7.3728mhz)，n为分频系数(取1、8、64、256或1024)。在n取1时，根据式(1)得pwm波的最大频率为7.3728mhz;当n取1024时，pwm波的最小频率为 7.2khz。本系统n取256，pwm波频率为28.8khz。
单片机内部有1个10位的逐次逼近型adc，当使用片内vcc作为参考电压vref，其分辨率为：
(2)
若使用片内的2.56v基准源作为参考电压，依据式(2)可得到其分辨率为0.003v。
当系统需要更高的分辨率时，可以通过软件补偿的方法来实现。具体实现方法可参考相关资料。
3 滤波和功放模块
图3 二阶rc低通滤波电路
pwm波产生后不能直接用于控制mosfet，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此，我们选用二阶rc低通无源滤波器，并取得了很好的效果。
二阶rc低通无源滤波器的系统函数为：
(3)
其中，a为通带增益，q为品质因素， ω0为截止频率。根据式(1)算出pwm波的频率，取截止频率为30khz，由式(3)可确定对应的电阻、电容值。
由于无源滤波器的负载能力差，信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，需要增加一级功率放大电路。功放电路比较简单，也有经典电路，限于篇幅不再赘述。
4 恒流源模块
恒流源采用的是压控恒流元件irf540，它的vgs为20v，id为33a。截止时，最大漏电流为1μa，导通电阻仅有0.04ω，图4为irf540的特性曲线。
图4 irf540特性曲线
由图4可知，当vgs为5v时，可输出电流就可达到30a左右，完全能实现小电压控制大电流的目的。具体应用电路如图5所示。
图5 横流电路
irf540的g极接pwm波转换后的直流电压，d极接能提供15v/5a电流的电源(可采用开关电源)，s极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值为10mω、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后，可得到采样电阻两端的电压值u，而在已知采样电阻阻值情况下，很容易得到流经采样电阻的电流，即i=u/r。由于负载与采样电阻在同一条支路，故流经负载的电流也为i。差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及adc的参考电压来选择，图5中要求r1=r3，r2=r4，放大倍数为r4/r3。需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗，以减少对负载电路的影响。差分信号经adc口送入单片机进行处理。
软件设计
由图6可知，整个系统是一个动态的闭环系统。由于pwm初始匹配值设置的大小不同，电流值在开始时可能会跟设定值有较大偏差。随着闭环系统的自我调整，逐渐使输出稳定在设定值上下。系统达到稳定状态的时间以及稳定后电流值波动的幅度，可根据设计要求由软件来调整。
图6 程序流程图
实验结果
我们对此数控恒流源进行了负载测试，测试结果如下：
从表1和表2的实测数据中可以看出，该恒流源在负载为100ω以内，最大误差仅为2ma，在0～200ma段没有误差，满足了设计要求，达到了较高的精度。
如果需要提高200ma段以上的精度，可采用软件补偿的方法实现。即先测量足够多的测试数据，然后采用曲线拟合方法对数据分段进行补偿，详细方法可参考相关资料。
结语
本数控恒流源电路结构简单，成本低，系统稳定可靠，精度高，已经应用于工业生产。如果设计要求更高的恒流值，可以更换更大功率的+15v/i电源，以及更换合适的压控恒流元件。
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图1 数控恒流源系统框图
模块介绍
1 人机接口模块
本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为3×4键盘，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的lcd 12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。由于这部分电路比较简单，在此不详述。
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avr单片机片内有一个具有16位pwm功能的定时/计数器。在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值(top=0xffff)后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。当启用pwm功能即在单片机的快速pwm模式下，通过调整ocr1a的值可实现输出pwm波的占空比变化。产生pwm波形的机理是：pwm引脚电平在发生匹配时(匹配值为0～0xffff之间的值，如图2中的c)，以及在计数器清零(从max变为bottom)的那一个定时器时钟周期内发生跳变，具体实现过程如图2所示。
图2 pwm波产生过程
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(1)
其中，fclk_i/o为系统时钟频率 (7.3728mhz)，n为分频系数(取1、8、64、256或1024)。在n取1时，根据式(1)得pwm波的最大频率为7.3728mhz;当n取1024时，pwm波的最小频率为 7.2khz。本系统n取256，pwm波频率为28.8khz。
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(2)
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(3)
其中，a为通带增益，q为品质因素， ω0为截止频率。根据式(1)算出pwm波的频率，取截止频率为30khz，由式(3)可确定对应的电阻、电容值。
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结语
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