基于MOSFET的实验室用压控恒流源设计

许俊云

华南农业大学工程学院 广东广州 510642

基于MOSFET的实验室用压控恒流源设计

许俊云

华南农业大学工程学院 广东广州 510642

介绍了一种基于功率MOSFET的实验室用恒流电源的设计方法。该设计采用仿真软件和硬件实测相结合的方式进行。首先，说明了运用ORCAD软件仿真大致确定恒流源系统参数和负反馈闭环控制PI参数的过程。其次，介绍了针对系统仿真中由于电力电子器件的非线性而造成仿真不收敛问题提供的详细对策。最后，介绍了对实验室硬件测试所发现问题的分析及给出的改进方案。实测表明：该恒流源制作简单、实用性较好、性价比较高。该实验室用压控恒流源设计方法具有一定的推广意义。

恒流源；仿真；测量；设计

设计了一种以TL494为控制核心，以功率MOSFET为控制对象的实验室用压控恒流源装置。在本设计中首先借助电力电子仿真软件ORCAD16.3进行了电路的初步设计，初步确定电路中元器件参数。接着进行实物电路的调试，针对实测中出现的问题进行改进，最终完成了整个设计过程。该装置在本校电力电子与电机拖动实验室中取得了良好的应用效果。

1 系统仿真设计

电流源的系统设计主要要完成DC/DC变换器主电路设计、电流采样电路设计、PI控制器电路设计、功率MOSFET驱动电路等设计[1]，系统总体设计原理电路如图1所示。在图1中利用TL494芯片内部的误差放大器构成一个模拟控制的PI调节器以实现设置和反馈量的比较和对偏差的无差调节；利用其PWM脉冲的输出宽度可以与偏差成反比的特性控制DC/DC主电路中功率MOSFET的开关时间，以实现对负载电流大小的控制。LM324运算放大器组成。常规差分电路对主电路中电流进行采样放大处理。系统总体方案确定后，接着要围绕实验室电流源所带负载的功率及电流范围确定合适的元件参数。在本系统设计中主要确定的参数有PI调节器参数，斩波主电路中电感、电容、采样电阻等参数，采样电路中的比较电阻等参数。本设计中这些参数的初步确定借助仿真进行。ORCAD16.3仿真软件所具有的参数扫描功能在辅助参数寻优方面可行，直接用在包含电力电子器件仿真中，则由于电力电子器件严重的非线性使得应用不太方便，很容易出现仿真终止退出。

寻优最佳参数，应兼顾系统的稳定性与快速性。根据仿真软件的使用经验分析，在包含电力电子元件的电路仿真中，最好放弃采用参数扫描，而进行多次和多组数据的仿真比较，最后挑选出一组相对最佳的参数。本设计中基于相对最佳参数的仿真结果如图2和图3所示。图2是当设定值为最小值(1.2 A)时的仿真输出波形，图3是当设定值为最大值(3.4 A)时的仿真输出波形。波形表明，在当前参数下，电路的动稳态输出都是可取的。本设计中通过仿真初步确定的最佳元器件参数罗列如下：V1 36V；V3 24V；C0 1 000 u；C1 1 000 u；C2 1u；R0 0.1Ω(进行电流采样)；RL负载电阻，阻值可变；R1=1 KΩ=R2；R3= 10 KΩ=R4；R5 10 KΩ；R6 4.7 KΩ；R7 3.3 KΩ；R8 20 KΩ；R9 =500 Ω=R10；R115 KΩ；R12 =2 KΩ= R13；R14= 1 KΩ=R15；R16 1 KΩ；R17 500 KΩ；D1，D2 D3，D4型号分别为：120NQ045，MUR190，120NQ045120NQ045；T1，T2，T3型号分别为：NE46100/CEL NE46100/CEL，2N4920；U1A型号为：LM324，M1型号为：IRF9140，电感L1：200 mh本设计中调节器积分时间常数RC=0.0 005 s；比例系数K=1 000。

图1 系统总体设计原理电路

图2 设定为1.2A时的波形

图3 设定为3.4 A时的波形

2 收敛性问题对策

Orcad/Pspice仿真软件是器件级仿真软件[2]，仿真精度高，对辅助电路参数的确定是有效的。然而，由于运算量较大，将这款软件直接用于电力电子电路设计很容易碰到仿真不收敛的问题。这个问题不解决，仿真无法进行。对Orcad/Pspice仿真中的收敛性问题，笔者积累了一些解决问题的经验。实践表明，这些经验对开关电源系统电路的仿真设计是有用的。下面是对本系统设计仿真过程中出现收敛性问题的一个实用对策。在用Orcad/ Pspice进行仿真调试时，经常出现ERROR--Convergence problem in transient analysis at Time=？Time step=？，minimum allowable step size=？一个有效的解决方法就是修改参数[3]，如图4和图5所示。

图4 PSpice系统默认参数

图5 参数修改图

按照图示方法修改相关参数后，收敛性问题可得到解决。

3 实验室现场调试问题处理

按照仿真初步确定的各元器件构建实际电路图进行现场调试，发现两个不良现象。

3.1 恒流控制效果很差

经过分析和检查，确定是采样电阻的问题。采样电阻放在负载电阻与电感之间不合适，将采样电阻移至负载与地之间，恒流效果得以实现。

3.2 功率MOSFET发热明显

经分析，应是MOS管开关损耗过大，在其G极增加一个150 Ω小功率电阻，问题得到解决。

表1 实测电流值

表1是有效电路的实测值，表明了电路的恒流效果：即输出电流对负载变化不敏感。实测亦表明本电源带有效负载范围随电流源的设置范围的改变而改变。设置范围越大，负载的有效范围越小。

经实验室测试后，最后确定的有效电路如图6所示。

图6 最后确定的有效电路

4 结束语

对高校实验室实验装置进行设计和改进是必要且很有意义的一项工作[4，5]。采用仿真软件和硬件实测相结合的方法进行实验室实验装置的设计可以避免很多直接调试电路的麻烦，使制作过程更顺利；然而仿真不能代替实际电路的调试，只有将两者结合，才能事半功倍。实测表明：所制作的恒流源经济、实用性较好，可应用于电气实验室中，用于电机的励磁供电和调速、电池充电等一般精度要求的场合。

[1] 胡晓军.基于T L 4 9 4 A的恒流电源设计[J].电气自动化，2008(2)：15-17.

[2] 洪乃刚.电力电子、电机控制系统建模与仿真[M].机械工业出版社，2011.

[3] 许俊云.仿真软件在课程设计中的综合运用及问题对策[J].2012(7)：337-339.

[4] 许俊云.提高DZSZ型实验装置利用效果的探索与实践[J].中国现代教育装备，2010(13)：24-25.

[5] 许俊云.实验设备的改进与使用，实验室研究与探索[J].2010(8)：337-339.

Making Constant Current Source Based on Power MOSFET to be Used in Laboratories

Xu Junyun
South China of Agriculture University， Guangzhou， 441052， China

This paper introduces a method for making a kind of constant current source based on Power MOSFET to be used in laboratories. This method combines software simulation with hardware measurement. This paper firstly describes the process of using ORCAD to determine approximate component parameters and negative feedback closed-loop controller PI parameters， and then introduces countermeasures for simulation convergence problem causing by the nonlinearity from power electronic device. Finally， describes the design bug found by laboratory hardware testing and introduces the measurement to deal with the bug. The practice shows the practical DC current source with high reliability. This method used in laboratory device can be promoted.

constant current source； emulation； measure； design

2014-02-20

许俊云，硕士，工程师。