一种最新型基准恒流源

     作者：张毅                                                                                            

    目前，比较智能的恒流源系统如电子负载等价格都比较昂贵，在进行蓄电池简易放电试验时，需要一件低成本的恒流源设备。恒流源的设计方法一般有3种：利用稳压源和电阻构成、利用恒流器件构成和利用负反馈放大器构成。本文采用第二种方法，通过PI控制电路对霍尔电流传感器负反馈与给定量差值的控制，调节电流源稳定输出。系统结构简单、经济耐用，主回路直流电压小于等于24 V，输出电流范围为0~10 A。

    1  恒流源电路结构与原理

    恒流源系统的设计思想如图1所示，图l(a)所示结构框图和图l(b)所示功能框图一一对应。

    由图1可以看出，恒流源系统由TL431基准电路、PI调节电路、TL494发生电路、IR2110驱动电路和Buck主回路组成，分别实现给定基准、调节占空比、生成PWM信号、驱动MOSFET开关和提供电流回路的功能。

    1.1功率主回路

    功率主回路采用降压式的DC-DC拓扑结构，即Buck电路，如图2所示。

    电路主要由电感、电容、负载、二极管、场效应管、霍尔电流传感器和相关保护电路构成，其中电感由4 mm2电线绕制而成，场效应管选择两个安装有散热片的IRF540芯片，保证散热性和可靠性。TL494控制电路产生的PWM信号，经IR2110电路驱动后输出到IRF540的门极，控制主回路的通断。开关导通时，电流流经电感L．并存储能量；开关闭合时，电感L1通过二极管D1释放能量。并联在IRF540两端的RCD吸收电路和稳压二极管D3和D4构成限幅器，分别用来降低关断损耗和保护场效应管不被击穿。

    霍尔电流传感器HFK200BS与负载R串联在输出回路中，输出电压UH与测量电流I的关系为：

    负载两端电压U。与霍尔输出电压UH关系为：

    依据UR与UR的关系，将霍尔传感器输出端接入运算放大器，与2.5 V基准电压经减法运算器后再放大200倍，然后作为反馈信号接人PI控制电路。当R取1 Ω、电流小于10 A时，反馈电压介于0~10 V之间。

    1.2信号基准电路

    信号基准电路主要由TL431芯片及分压电阻构成，旨在为系统提供精确的给定电压，使设定的电流值更加准确。TL431是一个具有良好热稳定性能的三端可调分流基准源，提供2.5 V的基准电压，利用分压原理，可输出0~36 V范围内的电压。系统设定的给定电压为0～10 V。

    1.3    PI调节电路

    PI调节电路是闭环系统的重要组成部分，主要由运放芯片LMV324构成，用于消除稳态误差、抵抗干扰，使系统能提供精准稳定的电流。电路的输入端是两个电压跟随器，输入阻抗高、输出阻抗低，有良好的缓冲隔离作用。相应的输入信号是反馈电压和基准电压。反馈电压由串联在主回路中的霍尔电流传感器经变换后给出，是反映电流大小的电压量；基准电压由基准电路给出，用来设定电流大小。电压跟随器的输出经PI调节接入TL494的反馈端，对PWM信号的占空比进行调节。比例系数和积分系数分别由串联后接在运放两端的电阻R和电容C的值确定，具体数值将在后文分析中给出。

    1.4 PWM产生电路

    主回路中开关管的导通和关闭需要高低电平变换的驱动信号来完成，这里采用PWM信号，由TL494芯片生成。TIA94是一种固定频率的脉宽调制电路，内部集成振荡器、死区时间比较器、脉宽调制比较器和D触发器等电路，使用时外接相应的电阻、电容即可产生PWM信号。为方便调试，设计中并未使用TLA94自带的误差放大器，而是使用了外接的LMV324运放电路。将误差放大器反相输入端（2、15管脚）接5V参考电压（14管脚），同相输入端（1、16管脚）接地；反馈输入端（3管脚）接PI控制器的输出，用来调整PWM波形占空比；死区控制端（4管脚）接地，使输出的PWM信号的最大占空比为96%：输出控制端（13管脚）接地，关闭双稳触发器，使输出脉冲频率等于振荡器频率。C9和R10构成锯齿波振荡电路，振荡频率为：

    工作时，锯齿波振荡电路产生的锯齿波经芯片内部电路变换成方波输出，占空比与3管脚输入的反馈电压大小成反相关。当反馈电压从0.5 V变化到3.5 V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。因为TL494内置晶体管的结构原因，使得集电极C1和发射极E1（8管脚和9管脚）间的管压降略高。为了更好地驱动MOSFET，在集电极C．外加二极管和三极管，使PWM信号的低电平更低一些；同时接上拉电阻到Vref端。

    1.5 PWM驱动电路

    由TL494电路生成的PWM信号驱动能力较弱，在驱动开关管前需接入专门的驱动电路。一般采用推挽电路或专用驱动芯片，鉴于主回路中MOSFET开关导通时电流较大、功率较高，选取专用集成芯片IR2110实现。IR2110集成度高、响应快、驱动能力强，两个通道LIN和HIN可同时驱动2个场效应管（图2中的Q1和Q2）一致动作，能很好地满足试验要求。

    使用IR2110电路驱动时，应注意限流电阻的选取。电压给定的情况下，限流电阻决定了驱动电流的大小，也就决定了MOSFET开关导通关断的快慢。MOSFET开关导通过慢，会使器件功耗升高，同时影响占空比；MOSFET开关关断太快，又会使门极和源极之间的瞬时电压过高，影响器件寿命。

    2试验与分析

    如图3所示，硬件电路设计好后，根据Buck电路的结构写出系统的传递函数，并通过改变比例系数和积分系数来确定PI调节电路中电阻R和电容C的值。

    首先，确定比例参数P。在开关调节系统中，为防止系统超调或振荡，不适合选择数值较大的比例参数。图4示出的是积分系数为100、比例系数不同时系统的阶跃响应曲线，图5所示为系统静差曲线。

    从图4和图5可以看出，比例系数取30时系统超调最大，但静差最小，比例系数取500时系统超调最小，但静差最大。考虑稳定性和准确性，选取比例系数为100，即R= 100 kΩ。

    其次，是积分参数，的选取。系统中的积分系数一般也不宜取得太大，否则影响系统稳定性。图6给出的是比例系数为100、积分系数不同时系统的阶跃响应曲线。从图6可以看出，比例系数为500时系统响应最快，但超调最大；积分系数取50时系统超调最小，但响应最慢。考虑稳定性和快速性，选取积分系数为100，即C=1nF。

    确定好PI调节电路的参数后，将整个系统进行硬件连接、调试和测量，以验证系统性能的好坏。测量时，使用高精度金属壳散热式电阻作为负载，每6s记录一次数据，40 min共得到400个测量数据。此处仅以2.5 A、5A、7.5 A、10 A的电流大小曲线为代表予以验证，如图7所示。

    每分钟的电流值是1min内10个采样点的平均值。从图7可以看出，电流基本在设定的电流值±0.1 A的范围内。根据电流稳定度的定义，电流稳定度是指电流标准差与平均电流的比值，即：

    式中：In为每分钟电流的10个采样值；，为10个采样点的平均值。代人数据，求出y后再取平均值，求得电流为2.5 A、SA、7.5 A、10 A时的稳定度分别为0. 004 1、0.002 5、0.001 7、0.001  2。

    根据相对误差定义，相对误差是指测量值与真实值之差与真实值的比值，即：

    式中：，为测量值；I为设定值。代人数据，将每分钟电流的相对误差求出后再求平均值，求得电流为2.5 A、5A、7.5 A、10 A时的相对误差分别为0.320%、0.  184%、0.273%、0.236%。

    3结束语

本文设计了一款基于Buck电路的恒流源系统，利用运放芯片LMV324和霍尔电流传感器HFK200BS代替单片机进行取样反馈，简化了设计，降低了成本。PWM驱动芯片采用体积小、速度快的IR2110，减少了开关管损耗，增加了系统耐用性。良好的散热性能和负反馈调节，保证了系统的稳定性。使用该恒流源对容量低于100 Ah的锂离子蓄电池进行放电特性测试，能有效获取蓄电池部分性能参数，实现对电流检测的校准等功能。

    4摘要：

    以控制芯片TD194为核心，设计了一款电流调节区间在O~10 A的恒流源系统。系统基于降压型斩波电路，主要用于锂电池电源管理系统的放电试验。工作时，TL494电路生成的PWM信号经IR2110电路驱动后，控制场效应管开关，实现降压式主回路的导通、闭合。改变TL494电路的输入电压可调整生成的PWM信号的占空比，从而达到电流可调的目的，而串联在电流主回路中的霍尔电流传感器反馈信息到PI调节电路，构成闭环控制，使电流恒定。利用Simulink对系统进行仿真，并根据仿真结果进行试验，实测数据表明，该恒流源可输出稳定度优于0. 01、相对误差小于1%的稳定电流。