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智能大功率软启动恒流源的设计

2022-09-21 02:07:12

  电源启动过程中瞬时电流冲击很大, 对电源和器件的使用寿命有很严重的影响, 采用良好的控制方法对启动电流进行控制以减小其危害, 使启动过程中无瞬间冲击且能连续变化, 是电源启动控制中关键的一步。电源软启动方式就是控制输出电压和电流, 使负载的电压和电流渐增。对于线性时不变模型的被控对象适当整定PID 参数可获得较满意的控制效果, 可以很好地解决电流过大的问题。PID 控制能很好地解决启动过程中震荡和超调的问题, 可以更好地保护电源, 且启动可靠、稳定性强。采用单片机作为控制器, 编程灵活、性价比较高, 易实现人机界面管理。利用软件调整系统的非线性, 以降低实测值与设定值之间的偏差。电源电压或电流的波动、电路元件的老化、环境温度等因素都将影响电源的稳定性。为了稳定地控制电源功率, 该方案采用基于单片机的高速AD、DA 数据采集系统, 并采用PID算法实现大功率电源的软启动, 系统采用PID 电压采样反馈控制输出电流的恒定不变, 精度较高、响应速度较快、灵活性较好、稳定性较高。

  1 大功率精密恒流源的实现

  1.1 电源系统设计

  以单片机为核心, 完成以下功能: 处理键盘输入数值, 包括电路预定值和"+" 、"-" 步进; 控制数LCD 显示预定值和实际值; 控制ADCDAC; 根据得到的反馈信号通过程序控制算法进行偏差值补偿。由于运放OPA549 一路受D/A 转换器控制, 调整运放OPA549 输入端电压, 一路为比例放大电路。当DAC 输出预定值或步进值后, 电流源的输出在0 ~8 A 范围内变化。输出电压经与负载串联的小电阻采样后, 送入ADC, 采样值与预定值在单片机内部进行计算、比较输出控制信号,对偏差值进行补偿。利用软件调整系统的非线性, 以降低实测值与设定值之间的偏差。

  1.2 电源电路设计

  (1) 数控部分核心

  采用单C8051F , 控制数控直流源的键盘和显示, 与D/A 转换器和A/D 转换器控制输出电流。A/D 转换器的基准电压由专门±9 V 电源供电,D/A 转换器的基准电压由+20 V 电源供电, 由单片机送出数据经DAC 转换输出控制电压。

  (2) 运放OPA549 放大电路电流源。

  OPA549 是BB 公司新推出的一种高电压大电流功率运算放大器。它能够提供极好的低电平信号、输出高电压、大电流, 可驱动各种负载。该器件的主要特点: 输出电流大, 连续输出电流可达8 A, 峰值电流可达10 A; 工作电压范围宽, 单电源为+8 V~+60 V, 双电源为±4 V~±60 V; 输出电压摆动大;有过热关闭功能, 电流极限可调; 有使能及禁止功能; 有过热关闭指示; 转换效率( 压摆率) 最高为9 V/μs ; 工作温度范围为-40℃~+85℃。该器件主要应用于驱动工业设备、测试设备、电源、音频功率放大器等大电流负载。

  在该电源系统中, 主要为负载提供大电流, 采用PID 控制算法控制负载的发光强度。输入为单片机经DAC输出的控制电压, 一路为比例放大电路, 如图1 所示增益G=1+R3/R2.电流型DAC 通过R1 转换成电压, 控制OPA549 .输出电流经采样电阻转换为采样电压, 送入A/D 转换器反馈至单片机进行偏差值补偿。

?OPA549 构成可调大电流恒流源

图1 OPA549 构成可调大电流恒流源

  (3) 散热及抗干扰。

  OPA549 大功率管工作时产生恒定的大电流, 功耗较大, 产生的热量较多, 散热成为该电源急需处理的问题。一般的轴流风扇内部电机置有脉冲驱动电路, 驱动时, 脉冲成分很容易直接顺电机电源线" 外溢" , 干扰其他电器设备。视频设备上干扰表现为横通斜线, 音响设备上产生噪音。为此, 安装大面积的铜散热片, 同时用风扇对设备中的电子元器件强制散热。安装风扇时, 需要在风扇电机电源线上串绕一只高频磁环以抗干扰。串绕磁环有效滤除这些干扰成分, 一般只需绕上1~3 匝即可。