恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源。現代電子技術的廣泛應用，促進了對恒流源的需求。在LED照明應用中，LED對電流的敏感度高，因此，性能良好的恒流源可以極大地提高LED的使用壽命，本文主要介紹了一種多路輸出程控恒流源系統的設計和實現。該恒流源每一路輸出電流在O～3．5 A可選，可滿足多種使用需求。
1 程控恒流源電路設計
該系統采用3路恒流源并聯輸出結構，每路電流輸出大小可以獨立控制，并由自己獨立反饋控制回路，能自行穩定其輸出電流。電流輸出形式多樣，可以3路同時工作，每路輸出電流大小保持獨立；在長時間工作時，也可以3路分時工作，以避免電路元件工作在長時間、大電流狀態下疲勞性損壞。此外，多路電流并聯輸出結構，可以在單路燒毀的情況下使用余下通道，從而不至于影響整個系統。同時，采取每通道模擬部分單獨成PCB板，可以適應通道擴展要求。
本文所提出的程控恒流源是以單片機為核心，通過與電壓電流轉換電路相結合的方法，實現電流可預置、可連續調節的功能，該系統主要包括兩大部分：數控模塊和直流電源模塊。本設計的系統結構框圖如圖1所示。
1．1 直流電源模塊的設計
該恒流源采用Buck電路，前端采用電源模塊輸入，電路簡單，易于控制。Buck電路是應用很廣泛的降壓電路，主電路由不受控整流管、電感、開關管和濾波電容組成。其輸入側由開關管的通斷實現對輸入電壓的斬波；輸出側由電感、電容組成二階濾波網絡，可以減小輸出電壓、電流紋波。
圖2中，當開關管導通，整流管截止時，忽略開關管的導通壓降，電感L兩端的電位為VIN和輸出電壓VO，且近似保持不變，故電感電流線性增加，此時在電感中儲存能量。若電容C兩端的電壓比輸出電壓略低，則電源還需為電容充電，在電容中儲存一定的能量。此過程負載消耗的能量由電源提供。一旦開關管變為截止，整流管導通，電感L中的磁場將改變其兩端的電壓極性，以保持其電流方向不變。忽略整流管上的壓降，電感L兩端的電位變為零和VO且近似不變，電感L中的電流線性下降，其中儲存的能量提供給負載。同時，當VO有所下降時，電容C也為負載RL提供部分能量。可見，這一過程負載RL消耗的能量由電感L和電容C提供。總之，Buck變換器就是用電感L和電容C作為儲能組件，將能量以離散的形式由輸入傳到輸出。其中，控制芯片提供反饋控制用以實現恒流輸出。
Buck調整器可工作于連續和不連續模式下，但是Buck型輸出濾波器的拓補會在不連續模式下出現問題，因此，對該濾波器的拓補，電感選擇應保證直到輸出最小規定電流時，電感電流也保持連續。直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時對應臨界連續，所以
其中，Vin是輸入電壓，Vout為輸出電壓，fs是開關頻率，因為該電路對紋波要求高，選擇了L較大，為10 mH。
濾波電容C的選擇取決于紋波電壓的大小，而紋波大小又由電容ESR和電感電流紋波△IL決定，所以要選取合適的COUT，以最小化電壓紋波和負載瞬態值。通常情況下，電容的取值可由以下公式獲得：
Ion是輸出電流，Vor是紋波電壓。
1．2 程控模塊設計
XCl64CM片機是德國SIEMENS公司推出的增強型16位單片機，其結構新、性能強、編程簡單、適應性強。該單片機能提供精度為8位或10位，集成采樣和保持電路的模數轉換器(ADC)；擁有PWM產生模塊，在不同的工作模式下可靈活產生PWM信號或記錄事件，使恒流源電路簡化，利于電路控制。XCl64CM含2個高速同步串行接口，支持高達20 Mb／s(模塊工作時鐘為40 MHz)的全雙工和半雙工串行同步通信。
XCl64CM最大的優點就是：內部CCU單元使電源的外部硬件電路大大簡化，其強大的運算能力可以完成如電壓采樣信號處理更為有效復雜的算法，非常適應于電源功率變換領域。
程控模塊主要由包括LED數字顯示、編碼開關、串口通信等功能的單片機系統組成。模塊的主要功能是按給定的電流值，提供調節輸出電流所需的PWM波。
程控模塊采用編碼開關輸入方式，設置給定的電流值并通過LED數碼管顯示，該系統也可通過RS232串口進行遠程控制電流設置與通道輸出。單片機經過運算，調節輸出PWM信號的占空比，實現對恒流源輸出電流的控制和精確調節。
顯示電路采用普通4位數碼管實時顯示，用芯片MAX7219驅動數碼管。MAX7219是一個高性能的多位LED顯示驅動器，可同時驅動8位共陰極LED或64個獨立的LED。
MAX7219僅需3個串行端口DIN、CLK、LOAD實現與單片機的通信。
1．3 信號采樣調理電路
信號采集調理模塊包括采樣電路、信號調理電路和過電流保護電路。測試回路的電流進入信號采集和調理電路，在信號采集和調理電路中對電流信號通過電阻采樣，進行I／V轉換變成滿足A／D輸入范圍的電壓信號。過流保護電路在電路故障時啟動。
信號采集通過電阻分壓的方式采集輸出電壓，通過后端電阻的I／V轉換，可以采集實際的輸出電流。采集的模擬電壓，經放大器LM358，輸入單片機的AD輸入口，與基準電壓相比較，用PI算法控制PWM的脈沖寬度，調整占空比，實現恒流輸出，電路如圖3所示。
在電流輸出端接上采樣電阻，由電流輸出端采集到的經分壓處理后得到采樣反饋信號，信號經由運放后送入單片機。單片機ADC模塊對信號進行A／D轉換，獲得的電流值送入LED顯示。
1．4 PWM驅動電路
XCl64CM系列中的幾款產品具有捕獲比較單元6(CAPCOM6)，該單元由帶有3路捕獲／比較通道的定時器T12和帶有1路比較通道的定時器T13組成。T12的各通道既能獨立產生PWM信號或接受捕獲信號，也可共同產生驅動交流電機或逆變器的控制信號序列。
在該電路中采用了MC34152，該器件是雙轉換高速驅動器，專門設計用于連接低電流數字電路與功率MOSFET，具有低輸入電流，可以與互補型金屬氧化物半導體(CMOS)和晶體管-晶體管邏輯(TTL)電路相容，并且具有完全適合于驅動功率MOSFET的2個大電流推挽輸出。它還包含滯后的欠壓鎖定以防止在低電源電壓情況下發生誤動作。具體框圖如圖4所示。
從圖4中可以看到，引腳2、4為信號輸入端，引腳5，7為同相輸出端，每個推挽電路驅動輸出端的輸出和吸收電流能夠達到1．5 A。產生的PWM信號用光耦隔離，隔離電壓沖擊及噪聲串擾串口通信電路。
2 系統軟件設計
多通道恒流源系統軟件共分為5個部分：初始化程序；通道電流設定、顯示程序；電流閉環PI控制；過流檢測關斷程序。圖5是控制軟件系統的整體結構。
單片機上電后先經過初始化程序完成各控制單元的初始化配置，初始化設置之后，程序進入模式選擇，主程序在判斷模式后，檢測編碼開關輸入或遠程串口輸入，獲得電流設定數據，通過單片機對輸入數據進行處理，此時數碼管顯示設定電流值，此時，單片機再根據設定值，對應改變PWM波占空比，在電路工作過程中，一直對輸出電流進行檢測，通過PI調節方式，使輸出電流與設定電流一致，控制輸出電流恒流。軟件實現閉環控制，當電流超過最大值時，系統進入中斷服務程序。
3 測試結果
測試結果如表1所示。
測試數據表明，在0～3 000mA范圍內，輸出電流值與設定電流值誤差較小，其變化均在允許范圍內。說明恒流源的電源容量充足，由數控模塊控制的恒流源模塊線性良好，精度較高。
在實驗時，當電流超出允許范圍，電路能迅速關斷保護，說明電路保護措施良好，軟硬件都工作正常。
4 結論
該恒流源在實際測試中，恒流控制性能表現出色，達到了設計要求。
實驗證明，利用XCl64CM的強大捕獲比較單元和AD單元簡化了硬件電路，用多級保護隔離，提高了系統的抗干擾能力，過流保護迅速可靠，穩定性、重復性較好，并具有操作方便，顯示直觀等特點，使整個測試系統的工作性能達到了令人滿意的水平。