基于PWM技術(shù)的數(shù)控恒流源電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)今，電源設(shè)備有朝著數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢。然而絕大多數(shù)數(shù)控電源設(shè)計(jì)是通過高位數(shù)的A/D和D/A芯片來實(shí)現(xiàn)的，這雖然能獲得較高的精度，但也使得成本大為增加。本文介紹一種基于AVR單片機(jī)PWM功能的低成本高精度數(shù)控恒流源，能夠精確實(shí)現(xiàn)0～2A恒流。

　　系統(tǒng)框圖

　　圖1為系統(tǒng)的總體框圖。本系統(tǒng)通過小鍵盤和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，小鍵盤負(fù)責(zé)接收要實(shí)現(xiàn)的電流值，LCD 12864負(fù)責(zé)顯示。AVR單片機(jī)根據(jù)輸入的電流值產(chǎn)生對應(yīng)的PWM波，經(jīng)過濾波和功放電路后對壓控恒流元件進(jìn)行控制，產(chǎn)生電流，電流再經(jīng)過采樣電阻到達(dá)負(fù)載。同時，對采樣電阻兩端信號進(jìn)行差分和放大，送入ADC。單片機(jī)根據(jù)采集到的值調(diào)整PWM輸出，從而調(diào)整了輸出電流。如此反復(fù)，直到電流達(dá)到設(shè)定要求。

　　圖1 數(shù)控恒流源系統(tǒng)框圖

　　模塊介紹

　　1 人機(jī)接口模塊

　　本模塊包括小鍵盤電路和液晶顯示電路。鍵盤設(shè)計(jì)為3×4鍵盤，由數(shù)字鍵0～9，功能鍵“刪除”及“確認(rèn)”組成，采用反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)鍵值識別。顯示電路由帶中文字庫的LCD 12864構(gòu)成，該液晶可以每行8個漢字顯示4行。由于這部分電路比較簡單，在此不詳述。

　　2 核心控制模塊

　　系統(tǒng)的核心控制模塊為AVR單片機(jī)(ATMEGA 16L)。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。

　　AVR單片機(jī)片內(nèi)有一個具有16位PWM功能的定時/計(jì)數(shù)器。在普通模式下，計(jì)數(shù)器不停地累加，計(jì)到最大值(TOP=0xffff)后溢出，返回到最小值0x0000重新開始。當(dāng)啟用PWM功能即在單片機(jī)的快速PWM模式下，通過調(diào)整OCR1A的值可實(shí)現(xiàn)輸出PWM波的占空比變化。產(chǎn)生PWM波形的機(jī)理是：PWM引腳電平在發(fā)生匹配時(匹配值為0～0xffff之間的值，如圖2中的C)，以及在計(jì)數(shù)器清零(從MAX變?yōu)锽OTTOM)的那一個定時器時鐘周期內(nèi)發(fā)生跳變，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

　　圖2 PWM波產(chǎn)生過程

　　圖2中的C～F為OCR1A匹配值。從圖中可見，波形在每個匹配值處以及計(jì)數(shù)清零時輸出發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了PWM波。由于OCR1A的值可以從0x0000到0xffff，共有65535個值，因此PWM波的最大分辨率為1/65535，滿足系統(tǒng)分辨率設(shè)計(jì)要求。PWM波的頻率為：

　　(1)

　　其中，fclk_I/O為系統(tǒng)時鐘頻率 (7.3728MHz)，N為分頻系數(shù)(取1、8、64、256或1024)。在N取1時，根據(jù)式(1)得PWM波的最大頻率為7.3728MHz;當(dāng)N取1024時，PWM波的最小頻率為 7.2kHz。本系統(tǒng)N取256，PWM波頻率為28.8kHz。

　　單片機(jī)內(nèi)部有1個10位的逐次逼近型ADC，當(dāng)使用片內(nèi)VCC作為參考電壓Vref，其分辨率為：

　　(2)

　　若使用片內(nèi)的2.56V基準(zhǔn)源作為參考電壓，依據(jù)式(2)可得到其分辨率為0.003V。

　　當(dāng)系統(tǒng)需要更高的分辨率時，可以通過軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法可參考相關(guān)資料。

　　3 濾波和功放模塊

　　圖3 二階RC低通濾波電路

　　PWM波產(chǎn)生后不能直接用于控制MOSFET，需把其變成能隨占空比變化而變化的直流電壓。在此，我們選用二階RC低通無源濾波器，并取得了很好的效果。

　　二階RC低通無源濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

　　(3)

　　其中，A為通帶增益，Q為品質(zhì)因素， ω0為截止頻率。根據(jù)式(1)算出PWM波的頻率，取截止頻率為30kHz，由式(3)可確定對應(yīng)的電阻、電容值。

　　由于無源濾波器的負(fù)載能力差，信號經(jīng)過二階無源濾波網(wǎng)絡(luò)后衰減比較厲害，需要增加一級功率放大電路。功放電路比較簡單，也有經(jīng)典電路，限于篇幅不再贅述。