中心議題：

• 智能大功率軟啟動恒流源的設計

解決方案：

• PID控製算法實現大功率電源的軟啟動和控製
• 大功率運放 OPA549構成大電流恒流源

為了獲得穩定的大電流，本文設計了基於單片機控製的智能軟啟動大功率恒流源

， 電流範圍0~8 A，最大峰值可達10 A。采用大功率運放OPA549 構成大電流恒流源，利用PID 控製算法實現了大功率電源的軟啟動和控製。該方法設計的電源在軟啟動過程中超調量很小，具有很好的穩定性；在恒流源工作時，穩定性也很好。

電源軟啟動方式就是控製輸出電壓和電流， 使負載的電壓和電流漸增。對於線性時不變模型的被控對象適當整定PID 參數可獲得較滿意的控製效果， 可以很好地解決電流過大的問題。PID 控製能很好地解決啟動過程中震蕩和超調的問題， 可以更好地保護電源， 且啟動可靠、穩定性強。采用單片機作為控製器， 編程靈活
、性價比較高， 易實現人機界麵管理。利用軟件調整係統的非線性， 以降低實測值與設定值之間的偏差。電源電壓或電流的波動
、電路元件的老化、環境溫度等因素都將影響電源的穩定性。為了穩定地控製電源功率， 該方案采用基於單片機的高速AD
、DA 數據采集係統， 並采用PID算法實現大功率電源的軟啟動， 係統采用PID 電壓采樣反饋控製輸出電流的恒定不變， 精度較高、響應速度較快、靈活性較好、穩定性較高。

1 大功率精密恒流源的實現

1.1 電源係統設計
以單片機為核心， 完成以下功能： 處理鍵盤輸入數值， 包括電路預定值和"+" 
、"-" 步進； 控製數LCD 顯示預定值和實際值

； 控製ADC 和DAC; 根據得到的反饋信號通過程序控製算法進行偏差值補償。由於運放OPA549 一路受D/A 轉換器控製
， 調整運放OPA549 輸入端電壓， 一路為比例放大電路。當DAC 輸出預定值或步進值後， 電流源的輸出在0 ~8 A 範圍內變化。輸出電壓經與負載串聯的小電阻采樣後
， 送入ADC, 采樣值與預定值在單片機內部進行計算、比較輸出控製信號，對偏差值進行補償。利用軟件調整係統的非線性， 以降低實測值與設定值之間的偏差。

1.2 電源電路設計
（1） 數控部分核心
采用單C8051F , 控製數控直流源的鍵盤和顯示
， 與D/A 轉換器和A/D 轉換器控製輸出電流。A/D 轉換器的基準電壓由專門±9 V 電源供電
，D/A 轉換器的基準電壓由+20 V 電源供電， 由單片機送出數據經DAC 轉換輸出控製電壓。

（2） 運放OPA549 放大電路電流源
OPA549 是BB 公司新推出的一種高電壓大電流功率運算放大器。它能夠提供極好的低電平信號、輸出高電壓

、大電流， 可驅動各種負載。該器件的主要特點： 輸出電流大， 連續輸出電流可達8 A, 峰值電流可達10 A; 工作電壓範圍寬
， 單電源為+8 V~+60 V, 雙電源為±4 V~±60 V; 輸出電壓擺動大；有過熱關閉功能
， 電流極限可調； 有使能及禁止功能； 有過熱關閉指示； 轉換效率（ 壓擺率） 最高為9 V/μs ; 工作溫度範圍為-40℃~+85℃。該器件主要應用於驅動工業設備、測試設備
、電源、音頻功率放大器等大電流負載。

在該電源係統中， 主要為負載提供大電流， 采用PID 控製算法控製負載的發光強度。輸入為單片機經DAC輸出的控製電壓， 一路為比例放大電路
， 如圖1 所示增益G=1+R3/R2.電流型DAC 通過R1 轉換成電壓， 控製OPA549 .輸出電流經采樣電阻轉換為采樣電壓
， 送入A/D 轉換器反饋至單片機進行偏差值補償。

圖1 OPA549 構成可調大電流恒流源

（3） 散熱及抗幹擾
OPA549 大功率管工作時產生恒定的大電流
， 功耗較大
， 產生的熱量較多

， 散熱成為該電源急需處理的問題。一般的軸流風扇內部電機置有脈衝驅動電路
， 驅動時， 脈衝成分很容易直接順電機電源線" 外溢" , 幹擾其他電器設備。視頻設備上幹擾表現為橫通斜線
， 音響設備上產生噪音。為此
， 安裝大麵積的銅散熱片， 同時用風扇對設備中的電子元器件強製散熱。安裝風扇時
， 需要在風扇電機電源線上串繞一隻高頻磁環以抗幹擾。串繞磁環有效濾除這些幹擾成分， 一般隻需繞上1~3 匝即可。
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2 PID 控製算法

係統軟啟動的控製功能通過比例積分微分控製器實現。通過比較給定信號與反饋信號的偏差
， 並進行比例、積分
、微分等運算進行控製， 是技術較成熟
、應用、廣泛的一種控製方式。其結構簡單

、靈活性強、係統參數調整方便， 不需要求出模型。

PID 控製原理如圖2 所示。PID 控製是一種線性調節器
， 它把設定值W 與實際輸出值相減
， 得到控製偏差e .偏差值e 經比例、積分
、微分後通過線性組合構成控製量U, 對對象進行控製。其中比例調節器起到基礎調節作用
， 主要對控製係統的靈敏度和控製速度有影響。積分調節器可以自動調節控製量
， 消除穩態誤差，使係統趨於穩定。微分調節器可以減小超調， 克服振蕩， 同時加快係統的穩定速度， 縮短調整時間， 從而改善係統的動態性能。

圖2 PID 控製原理圖

PID 控製器的輸出與輸入之間的關係可表達為：

式中： Ti為積分時間常數； Td為微分時間常數； Kp為比例係數； Ki為積分常數， Ki=Kp/Ti ; Kd為微分常數
，Kd=Kp/Td.

係統啟動時間較短， 啟動電壓、電流較大， 負載所承受的衝擊也較大
， 致使啟動階段負載的動負荷峰值遠遠大於正常運行時的負荷， 容易造成負載的損壞。為解決此問題， 設計了一種新型的PID 控製軟啟動電源係統， 主要由電源
、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控製係統組成， 並完成了實驗室內的試驗。當電源啟動時， 首先由單片機係統給定設定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負載線性上升的規律控製輸出。在負載電壓線性增加的過程中
， 如果電流超出了所限定的範圍， 則馬上投入電壓閉環， 使電流值限定在所設定的範圍內後， 再線性逐漸增加電壓至額定值
， 係統的光強也由零逐漸增大
， 完成啟動過程。

PID 控製係統軟啟動效果圖如圖3 所示。通過串行通信端口com1 通信， 電壓單位mV、電流單位mA, 功率單位mW, 時間單位s.

從圖3 的軟啟動效果圖可以看出， 在恒定電壓
、電流
、功率的模式下工作時

， 係統開機過程超調量很小， 有效地控製了啟動過程， 防止了啟動過程產生過大的擾動電壓， 產生過大的功率
， 有效地保護了負載。
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3 實驗結果

由於輸出電流達到8 A, 對電源的功率要求較高
， 易產生噪聲， 這種隨機噪聲也會對輸出電流產生一定的影響。為減弱這種噪聲， 各個模塊分別供電， 以減少交叉幹擾
， 同時在電路板上多加裝去耦濾波電容， 減小幹擾的影響， 同時OPA549 能有效地抑製紋波。影響電源穩定性的因素很多， 如負載的變化
、取樣電阻的變化、A/D、D/A 的影響等。如圖4 所示， 不同負載的情況下， 電源誤差不同。10 W 的負載， 由於功率較低， 在電壓、電流增加時， 誤差變化也較小。35 W 的負載， 由於功率較大， 工作電流的變化範圍比較大
， 功耗較大， 電源的誤差變化相應地也比較大。如圖5, 在10 W、20 W 和35 W 的負載時， 工作狀態穩定
， 能夠滿足大電流、大功率的需要。

總結

該係統利用PID 算法進行控製
， 采用大功率運放OPA549 輸出電流在0~8 A 範圍內可調， 最大峰值可達到10 A, 能夠有效抑製紋波電流
， 克服了傳統電流源輸出電流範圍小的缺點。可設置並能實時顯示輸出電壓、電流
、功率實測值
， 具有"+ " , "- " 步進調整功能， 輸出可在LCD12864 顯示， 同時通過RS232 與上位機同步通信
， 直接顯示， 保存實驗數據。通過對測試結果的分析，係統在軟啟動的過程中， 超調量很小， 啟動效果很好， 避免了對負載的衝擊。由於大功率調整管的電流大範圍變化時， 經過軟件補償、放大電路調整等方法解決線性度較差
，實測值和設定值存在偏差的問題。該電源適用於大功率的場合
，本電源具有很好的實用性。