中心議題：
- 智能大功率軟啟動恒流源的設計
解決方案：
- PID控制算法實現大功率電源的軟啟動和控制
- 大功率運放 OPA549構成大電流恒流源
為了獲得穩定的大電流，本文設計了基于單片機控制的智能軟啟動大功率恒流源， 電流范圍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 控制算法實現了大功率電源的軟啟動和控制。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制輸出電壓和電流， 使負載的電壓和電流漸增。對于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制效果， 可以很好地解決電流過大的問題。PID 控制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。采用單片機作為控制器， 編程靈活、性價比較高， 易實現人機界面管理。利用軟件調整系統的非線性， 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。為了穩定地控制電源功率， 該方案采用基于單片機的高速AD、DA 數據采集系統， 并采用PID算法實現大功率電源的軟啟動， 系統采用PID 電壓采樣反饋控制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 電源系統設計
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； 控制數LCD 顯示預定值和實際值； 控制ADC 和DAC; 根據得到的反饋信號通過程序控制算法進行偏差值補償。由于運放OPA549 一路受D/A 轉換器控制， 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后， 電流源的輸出在0 ~8 A 范圍內變化。輸出電壓經與負載串聯的小電阻采樣后， 送入ADC, 采樣值與預定值在單片機內部進行計算、比較輸出控制信號，對偏差值進行補償。利用軟件調整系統的非線性， 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 , 控制數控直流源的鍵盤和顯示， 與D/A 轉換器和A/D 轉換器控制輸出電流。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 轉換輸出控制電壓。
（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; 工作電壓范圍寬， 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 ; 工作溫度范圍為-40℃~+85℃。該器件主要應用于驅動工業設備、測試設備、電源、音頻功率放大器等大電流負載。
在該電源系統中， 主要為負載提供大電流， 采用PID 控制算法控制負載的發光強度。輸入為單片機經DAC輸出的控制電壓， 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， 控制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） 散熱及抗干擾
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沖驅動電路， 驅動時， 脈沖成分很容易直接順電機電源線" 外溢" , 干擾其他電器設備。視頻設備上干擾表現為橫通斜線， 音響設備上產生噪音。為此， 安裝大面積的銅散熱片， 同時用風扇對設備中的電子元器件強制散熱。安裝風扇時， 需要在風扇電機電源線上串繞一只高頻磁環以抗干擾。串繞磁環有效濾除這些干擾成分， 一般只需繞上1~3 匝即可。
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2 PID 控制算法
系統軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現。通過比較給定信號與反饋信號的偏差， 并進行比例、積分、微分等運算進行控制， 是技術較成熟、應用、廣泛的一種控制方式。其結構簡單、靈活性強、系統參數調整方便， 不需要求出模型。
PID 控制原理如圖2 所示。PID 控制是一種線性調節器， 它把設定值W 與實際輸出值相減， 得到控制偏差e .偏差值e 經比例、積分、微分后通過線性組合構成控制量U, 對對象進行控制。其中比例調節器起到基礎調節作用， 主要對控制系統的靈敏度和控制速度有影響。積分調節器可以自動調節控制量， 消除穩態誤差，使系統趨于穩定。微分調節器可以減小超調， 克服振蕩， 同時加快系統的穩定速度， 縮短調整時間， 從而改善系統的動態性能。
圖2 PID 控制原理圖
PID 控制器的輸出與輸入之間的關系可表達為：
式中： Ti為積分時間常數； Td為微分時間常數； Kp為比例系數； Ki為積分常數， Ki=Kp/Ti ; Kd為微分常數，Kd=Kp/Td.
系統啟動時間較短， 啟動電壓、電流較大， 負載所承受的沖擊也較大， 致使啟動階段負載的動負荷峰值遠遠大于正常運行時的負荷， 容易造成負載的損壞。為解決此問題， 設計了一種新型的PID 控制軟啟動電源系統， 主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統組成， 并完成了實驗室內的試驗。當電源啟動時， 首先由單片機系統給定設定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負載線性上升的規律控制輸出。在負載電壓線性增加的過程中， 如果電流超出了所限定的范圍， 則馬上投入電壓閉環， 使電流值限定在所設定的范圍內后， 再線性逐漸增加電壓至額定值， 系統的光強也由零逐漸增大， 完成啟動過程。
PID 控制系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， 系統開機過程超調量很小， 有效地控制了啟動過程， 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
由于輸出電流達到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， 以減少交叉干擾， 同時在電路板上多加裝去耦濾波電容， 減小干擾的影響， 同時OPA549 能有效地抑制紋波。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， 由于功率較低， 在電壓、電流增加時， 誤差變化也較小。35 W 的負載， 由于功率較大， 工作電流的變化范圍比較大， 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
該系統利用PID 算法進行控制， 采用大功率運放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內可調， 最大峰值可達到10 A, 能夠有效抑制紋波電流， 克服了傳統電流源輸出電流范圍小的缺點。可設置并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，系統在軟啟動的過程中， 超調量很小， 啟動效果很好， 避免了對負載的沖擊。由于大功率調整管的電流大范圍變化時， 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。該電源適用于大功率的場合，本電源具有很好的實用性。
