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高效数控恒流源设计报告（最终版）.docx.docx
一、总体方案设计
1、方案论证与比较
2、系统设计框图
二、功能描述
1、题目要求功能：
2、本系统设计扩展功能：
三、分析计算和电路实现
1、DC/DC转换电路部分
2、恒流源电路部分
3、单片机控制显示
4、整机效率问题研究
四、系统软件设计
1、软件流程图
1、恒流源部分
2、恒压源部分
3、软启动部分
五、系统测试及分析
1、测试方法
2、测试电路
3、测试数据和误差分析
六、结论
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
1
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
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。
2
虚短概念，可得到：
IL≈Vi/R1
S
R
U
i
n
+
-
U
r
T
R
L
R
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2
3
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1
1
A
V
C
C
V
+
G
N
D
V
-
V
i
n
(b)
(
(a)
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。
3
Uin
DC/DC
变换
恒压源
恒流源
D
A
C
负
载
ADC
MSP430F149 单片机
键盘
LCD 显示
图 3 系统总体设计框图
二、功能描述
1、题目要求功能：
（1）能数字设置并控制输出电流，最大输出电压 11V，输出电流范围 200~2000mA；
（2）输入电压范围：8V~20V；效率≥80%。
（3）具有过压保护功能并声光报警：动作电压 Uoth=11+0.5V；
（4）具有输出电流的测量和数字显示功能。
2、本系统设计扩展功能：
（1）输出电流范围：20~2000mA；
步进可达到 1mA；
（2）具有软件启动功能；
（3）输入电压范围扩展到 8V~20V；
（4）具有掉电保持功能：电流源可存储掉电前工作电流值。下次上电时可按照掉电
时最后的电流值工作。
（5）另外电路扩展稳压源模块，可实现稳压输出 1~5V。
（6）声光报警
4
三、分析计算和电路实现
1、DC/DC 转换电路部分
（1）单端正激式电源变压器选择和计算
单端正激式开关电源变压器是单向激磁，要求磁芯脉冲磁感应增量大，但是变压器初级
工作次级也同时工作，因此计算方法和步骤与双极性开关电源接近：初级绕组匝数 N1 计算
式为：
N1=Vp1×tk×102/ΔB1A
其中：VP1 是变压器最低输入额定电压幅值，此电源标称为 8V；tk 是开关管导通时间，
此电源设定为 4us；ΔB1 为脉冲磁感应增量，此电源设定为 0.2T，A 为磁芯截面积，所选磁
材为 PC40EPC10-Z，其截面积为 9.39×102cm2。根据上述所选值求得 N1=13。次级匝数要保
证此时的电压≥12V，即 N2=19。
（2）SG3525 控制电路分析与计算
单端正激式开关电源，电路原理图如图 4 所示，硬件电路结构简单。由 SG3525 控制芯
片产生 PWM 波，驱动开关管 IRFZ44N，输出电压经采样后，送至 SG3525 的 1 脚，即误差放
大器的反向输入端，若输出电压偏高，采样反馈的电压也偏高，与 SG3525 中误差放大器的
基准电压比较后电压偏低，导致占空比下降，从而使输出电压下降。反之亦然，如此形成闭
环控制。R10 是可调电阻，通过调节 R10 就可调节输出电压。
图 4 DC/DC 电源原理图
根据在稳态条件下电感 L2 两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理，在电感
电流连续的条件下，可以推导出输入、输出电压与开关通断时间的占空比（占空比为 d）的
关系为：Uo/Ui=d/(1-d),故通过改变开关管的占空比 d 可以控制输出平均电压的大小，当
0
关电源输出损耗。本系统采用的 VMOS 管 IRFZ44N 的 RDS 只有 17.5mΩ，经实测，在饱和状
态下其管压降可以降到 0.02V，其功耗非常低。因此选择 VMOS 管有利于提高电源效率。
（4）整流管的选择
功率肖特基二极管由于正向压降低、功耗小、开关速度高，在主流低压带电流领域得到
广泛应用。但低压降小功耗是以低势垒为前提的。较低的势垒高度会使器件反向漏电流增加，
最高工作温度降低，因此选择合适的势垒高度是很重要的。为解决功率肖特基二极管的正反
向特性之间的矛盾，本设计选择的整流管 STPS30L60 对此加以改进，既具有低压降，又有较
小的方向电流。其等效电路为两个整流二极管的并联如此可将正向导通压降降低到 0.56V，
同时其正向导通电流可增大到 2×15A。其开关速率可以达到 10000V/μs。可以达到本设计
PWM 波 99KHz 的要求。
2、恒流源电路部分
（1）具体电路分析
电路原理图如下图 5 所示，主要由采样电阻，12 位 DAC 芯片 TLV5618 和控制运放 LM258，
以及大功率管几部分组成。大功率管实现扩流，12 位 DAC 输出控制电压送到运放同相输入
端，根据运放虚短的概念，运放的反相输入端电压将等于控制电压，采样电阻的电压经 20
倍放大后连接到运放反相端，从而实现电压控制采样电阻的电压，进而控制采样电阻的电流，
即控制恒流源输出电流。由于电流设置分辨率为 1mA/2000mA=1/2000，12 位 DAC 芯片
TLV5618 的分辨率为 1/4096，满足设计要求。
根据题目要求选择合适的元器件很重要。
（2）采样电阻 R 的选择
图 5 恒流源电路
对电阻而言，减额因子：S=实际功率/额定功率≤0.5，因此电阻的功耗 I2R 应尽量小，
同时应避免温度过高引起阻值变化过大使得输出电流值产生偏差。鉴于以上考虑，此电路选
用 0.1Ω/10W 的电阻。为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电
路将 4 个 0.1Ω/10W 的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。
（3）运算放大器的选择
由于此电源系统不提供负电压，所以必须采用单电源运放，本设计采用 LM258。其
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输入电压范围 0.3~32V，输入失调电压 2~5mV，满足精度要求。
（4）功率管的选择
常见的电流源多采用达林顿管和 VMOS 管两种，经过实际实验检测，达林顿管的管压降
在 0.8V 左右，而 VMOS 管的管压降只有 0.02V 左右，考虑到提高电源效率问题，本电路采
用 VMOS 大功率管。
(5) DAC 与控制电路的配合
TLV5618 的输出电压为 UO=2×VREF×DIN/4096，当 VREF=2.084V，DIN=4000 时，UO=4.000V，恰
好满足 IL=2.000A 时，反馈电压=4.000V 的要求。
3、单片机控制显示
（1）MCU 的选择
由于电流设置分辨率为 1mA/2000mA=1/2000，故 ADC 和 DAC 的分辨率必须≥1/2000，
即 DAC 和 ADC 的位数必须在 11 位以上。为保证精度，通常选用 12 位的 ADC 和 DAC，外接
ADC 将使电路变复杂。市场上 MCU 种类繁多，TI 公司的 MSP430F149 单片机是使用比较广
泛的一款单片机，其内部含有 60K FLASH 以及 8 通道 12 位 ADC，正好满足本系统 4 个通道
的要求。加之其低功耗设计也有利于提高电源效率。故本系统采用 MSP430F149 单片机作为
控制芯片。
（2）键盘扫描和 LCD 显示
键盘扫描选用键盘管理芯片 ZLG7290，通过 I2C 串行接口，可方便地与处理器连接。其
一共可扫描 64 个按键，本设计采用 4×4 键盘矩阵。单片机接口以及键盘、而低功耗必须采
用 LCD 显示器。连接电路如图 6 所示。
图 6 单片机系统电路图
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4、整机效率问题研究
对于电源节能最重要的性能之一就是效率，本系统设计在保证完成各项功能的同时充分
考虑如何来提高效率。首先是开关管的选择，DC/DC 转换电路设计时，实验测试多种 VMOS
管，最终选择的 VMOS 管 IRFZ44N，其导通电阻ＲDS 只有 0.0175Ω，从而可以降低开关管导
通时的功耗，提高系统效率。其次恒流源部分设计时同样考虑大功率管的饱和管压降带来的
功率损耗。经电路实测达林顿管的饱和管压降 VCE=1.2V，其功率消耗较大，而 IRFZ44N 的饱
和压降 VDS 可以下降到 0.04V。显然比达林顿管的功率消耗要少。因此扩流管放弃选用达林
顿管，而选择 IRFZ44N，以提高整机效率。控制部分选用 TI 公司生产的低功耗 MSP430F149
单片机，经实测单片机配合键盘液晶总共耗电 0.8W 左右，功耗已经很低。
四、系统软件设计
1、软件流程图
软件流程如图 7 所示：
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