高精度小電流恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李駿霄，王雪梅，許哲，官章健，吳桐

（1.火箭軍工程大學(xué)控制工程系，陜西西安710025；2.96714部隊(duì)，福建三明365000）

高精度小電流恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李駿霄1，王雪梅1，許哲1，官章健2，吳桐1

（1.火箭軍工程大學(xué)控制工程系，陜西西安710025；2.96714部隊(duì)，福建三明365000）

目前以TL431穩(wěn)壓管搭建的恒流源電路存在小電流輸出狀態(tài)下輸出精度較低，溫度跨度大時(shí)工作電路的溫漂較大，且不具備抑制溫漂能力，在飛行器系統(tǒng)測(cè)試過程中無法全面地滿足指標(biāo)需求。該文對(duì)TL431恒流源做出改進(jìn)，加入精密運(yùn)算放大器OP77及π型濾波電路以保證輸出精度，設(shè)計(jì)溫度系數(shù)互補(bǔ)的電阻網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整合適的補(bǔ)償點(diǎn)降低恒流源整體溫漂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后恒流源具有低溫漂、高精度的優(yōu)越性能。

小電流；高精度；低溫漂；恒流源

0 引言

恒流源在現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]，文獻(xiàn)[2]中提出使用恒流源供電可以提高標(biāo)準(zhǔn)燈的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[3]中提到用恒流源測(cè)電阻可以獲得比伏安法更高的精度。在對(duì)飛行器進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，飛行器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的激勵(lì)通常通過小電流恒流源來產(chǎn)生，因此對(duì)于小電流恒流源的精度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。由于飛行器測(cè)試發(fā)射環(huán)境復(fù)雜，外界溫度變化跨度較大，所以在保證小電流恒流源精度設(shè)計(jì)的前提下，還必須對(duì)其溫漂進(jìn)行有效控制，提高穩(wěn)定性。

以往由分離器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的恒流源，多采用MOS管、電壓調(diào)整器件等，在環(huán)境溫度變化時(shí)，通常無法保證輸出電流的穩(wěn)定性，同時(shí)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，占用空間較大，不利于電路的小型化、集成化[4]。

TL431與晶體管搭建的恒流源就是很常見的一種恒流源電路，它的原理簡(jiǎn)單、精密度高、溫漂小，但這種恒流源的電源電壓變化會(huì)影響輸出電流大小，且負(fù)載的變化對(duì)恒流源影響也較大，影響其應(yīng)用范圍[5]。本文以TL431恒流源電路為基礎(chǔ)，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)的小電流恒流源具有精度高、低溫漂的特點(diǎn)。

1 常見TL431恒流源電路基本工作原理

常見的TL431恒流源由TL431元件和NPN三極管共同組成。電路原理圖如圖1所示，圖中Rs為基準(zhǔn)電阻，電流從VCC流向Isinx。恒流源的輸出理論上為Isinx=V+/Rs（A），恒流源的負(fù)載接在V+與Isinx中間[6]。

分析TL431恒流源電路：電路中可控精密穩(wěn)壓源TL431起電壓基準(zhǔn)的作用，即Rs上流過的電流恒定不變。由元件性質(zhì)可知NPN的集電極電流和發(fā)射極電流近似相等，通過這種方式使得Isinx保持恒定。若要產(chǎn)生小電流，則電阻Rs需要具備較高的阻值。由于高值電阻及TL431元件受溫度變化會(huì)產(chǎn)生溫漂，所以恒流源輸出電流將會(huì)受到溫度的影響[7-8]。這一特性在輸出電流為小電流的情況下尤為明顯。

2 恒流源改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

2.1 整體改進(jìn)方案

考慮到飛行器測(cè)試對(duì)環(huán)境的特殊要求，在本設(shè)計(jì)中將恒流源工作的環(huán)境溫度視為主要影響因素。目前，提高電路溫度穩(wěn)定性的方法主要有恒溫槽溫度控制和局部溫度控制，這兩種方式均需要增加附加的電路和器件，增加了電路的體積和功耗，將會(huì)影響器件的壽命和可靠性[9-10]。本文設(shè)計(jì)中利用低溫漂電阻來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在電路中設(shè)計(jì)正負(fù)溫度系數(shù)不同的兩種電阻網(wǎng)絡(luò)，將正溫度系數(shù)電阻和負(fù)溫度系數(shù)電阻串接，使電路整體溫度系數(shù)與電壓基準(zhǔn)溫度系數(shù)互補(bǔ)，通過調(diào)整合適的補(bǔ)償點(diǎn)來降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度系數(shù)，提高其溫度穩(wěn)定性。

綜合考慮測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)有狀況及工程現(xiàn)實(shí)可行性，分析并做出如下改進(jìn)：

1）利用TL431BID穩(wěn)壓器產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定電壓；

2）加入精密運(yùn)算放大器OP77保證壓差；

3）采用5×10-6/°C高精度可調(diào)電阻R2、R4，同精度負(fù)溫度系數(shù)可調(diào)電阻R3、R5；

圖1 TL431與三極管組成的常見恒流源

4）加入π型濾波電路。

恒流源改進(jìn)設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

2.2 主要改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.2.1 TL431BID高精度穩(wěn)壓器

在電路中使用最高等級(jí)穩(wěn)壓器TL431BID來代替?zhèn)鹘y(tǒng)TL431穩(wěn)壓器，其初始精度為B級(jí)（0.5%），工作溫度為I級(jí)（-40～85℃），封裝類型為SOP-8。使用TL431BID高精度穩(wěn)壓器可以保證恒流源核心硬件在溫度變化較大時(shí)正常工作。

2.2.2 OP77運(yùn)算放大器

采用OP77低電壓飄移運(yùn)算放大器，其特性為低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流、低壓噪聲密度，低溫度系數(shù)。由于TL431BID在正常工作過程中會(huì)產(chǎn)生-100～150 mA的陰極電流，這將會(huì)對(duì)恒流源輸出電流產(chǎn)生干擾，所以在設(shè)計(jì)中加入OP77運(yùn)放，用以吸收TL431 BID的工作電流。保證采樣電阻兩端的壓差穩(wěn)定及輸出電流的恒定。

2.2.3 電阻

在電阻選擇上，主要采用5×10-6/°C高精度可調(diào)電阻，利用其組合產(chǎn)生的溫度系數(shù)抵消TL431BID元件的溫度系數(shù)。R1作為限流電阻，其目的是使TL431BID元件達(dá)到其正常工作的電流。R2～R5作為可調(diào)控制電阻，進(jìn)行帶載時(shí)輸出電流的調(diào)整校準(zhǔn)。R6為滑動(dòng)變阻器，其作用為實(shí)現(xiàn)恒流源電流輸出微調(diào)。電路中利用R2、R3、R4、R5、R6組合使用所形成的溫度補(bǔ)償系數(shù)抵消TL431BID器件的溫度系數(shù)。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值來調(diào)整恒流源輸出值。設(shè)計(jì)中將大電阻分散為R2～R54個(gè)串聯(lián)小電阻組合，可利用R2、R4的正溫漂抵消R3、R5的負(fù)溫漂，整體達(dá)到更低的漂移量。另外，將大電阻分散為R2～R54個(gè)125:25:5:1的等比值電阻，也可以提高恒流源面對(duì)不同負(fù)載情況下的可調(diào)范圍和調(diào)整精度，在一定程度上分散了元器件工作過程中的熱能損失分布，減少了恒流源工作過程中的自身產(chǎn)熱所導(dǎo)致的溫度變化。

圖2 恒流源主體電路設(shè)計(jì)圖

2.2.4 濾波電路

1）在12V標(biāo)準(zhǔn)電壓源中加入π型濾波電路，減少電源的輸入噪聲，同時(shí)為TL431BID和OP77提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源，提高恒流源穩(wěn)定性[11]。

2）在輸入端基準(zhǔn)電阻兩側(cè)加入濾波電路，保證TL431BID穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性和輸入電流精度。

3）在輸出端加入濾波電路，去除芯片噪聲[12]，保證小電流輸出精度。

3 恒流源改進(jìn)前后性能對(duì)比

由于在仿真電路中，電子元件均為理想狀態(tài)，只能通過計(jì)算不同溫度下的電阻溫漂來模擬溫度變化，無法進(jìn)行恒流源精度驗(yàn)證，故在仿真中僅分析恒流源電路在不同溫度下的輸出情況。

3.1 改進(jìn)前后恒流源溫度性能仿真分析

采用Multisim軟件搭建仿真電路，仿真電路如圖2（b）所示。由于彈上系統(tǒng)所需恒流源輸出值為定值，若輸出電流為4mA時(shí)，分析電路可得出電流計(jì)算公式如下：改進(jìn)后恒流源電路中輸出4mA時(shí)的電阻數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 電阻數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

對(duì)于仿真電路，假定20℃為恒流源準(zhǔn)確輸出4mA的溫度環(huán)境。根據(jù)電阻溫度系數(shù)計(jì)算出溫度變化后的阻值，以100Ω為例，其溫度系數(shù)為-5×10-6/℃，溫度變化10℃后的阻值變化為100Ω×10×（-5）×10-6=-5mΩ。

以此為依據(jù)進(jìn)行電路中電阻阻值調(diào)整，模擬空載時(shí)溫度對(duì)恒流源電路的影響。改進(jìn)前后仿真電路溫度變化時(shí)輸出電流變化對(duì)比如表2、表3所示。

表2 改進(jìn)前恒流源受溫度影響的電流變化仿真結(jié)果

表3 改進(jìn)后恒流源受溫度影響的電流變化仿真結(jié)果

由表中的仿真結(jié)果可得，在仿真理想狀態(tài)下，改進(jìn)后電路受溫度變化所帶來的影響更小，克服了改進(jìn)前的缺點(diǎn)，性能得到了提升。

根據(jù)礦泥的性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，本著工藝簡(jiǎn)單、措施可靠、投資少、見效快的原則，采用普通 XJK-6A型浮選機(jī)直接從礦泥尾礦中浮選回收錫石的生產(chǎn)工藝，其具體流程見圖 1。礦泥需經(jīng)隔渣篩隔渣，然后進(jìn)行三次脫泥，溢流丟尾，脫泥后的沉砂經(jīng)一粗一精兩掃脫出硫化物，除硫尾礦經(jīng)一粗三掃三精產(chǎn)出錫精礦，尾礦則丟尾。錫石浮選采用草酸作PH調(diào)整劑，TL-1作捕收劑，P86作輔助捕收劑和起泡劑，碳酸鈉作TL-1的助溶劑。

3.2 改進(jìn)后恒流源的工程實(shí)現(xiàn)

按照?qǐng)D2電路設(shè)計(jì)圖搭建實(shí)驗(yàn)濾波電路及恒流源電路，器件與型號(hào)保持一致。利用Cadence軟件繪制PCB雙層板卡并印刷制作測(cè)試用例，其中上層板卡作為主要功能板卡，下層板卡作為濾波供電板卡，PCB設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

在設(shè)計(jì)中采用的TL431BID穩(wěn)壓器及OP77運(yùn)算放大器，因其具有一定的發(fā)熱量，所以在布線時(shí)應(yīng)將這些器件盡可能地遠(yuǎn)離基準(zhǔn)電阻等元件。由于恒流源電路中電阻的溫度系數(shù)用以補(bǔ)償電路溫漂，而導(dǎo)帶的溫度系數(shù)與電阻溫度系數(shù)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)電路的影響較大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要求連接電阻的導(dǎo)帶電阻必須盡量小。通常使用加寬、增厚的方式設(shè)計(jì)導(dǎo)帶，以減小導(dǎo)帶電阻。

3.3 改進(jìn)前后恒流源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出改進(jìn)后恒流源具有優(yōu)良的性能，但在實(shí)際電路中由于除電阻外的各部分電路也會(huì)受到溫度的影響，并且電路工作會(huì)產(chǎn)生一定的溫度，和理想情況下電路還是有一定的區(qū)別，所以很有必要通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到在實(shí)際情況中，恒流源負(fù)載為固定值，所以在實(shí)驗(yàn)過程中以空載情況為例。實(shí)際應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)中時(shí)，應(yīng)在不同的負(fù)載下通過調(diào)整高精度可調(diào)電阻R2～R5實(shí)現(xiàn)輸出電流校準(zhǔn)。

3.3.1 輸出精度對(duì)比

在恒流源設(shè)計(jì)中加入了3組濾波電路，其目的是消除抖振，保證輸出電流精度。在實(shí)驗(yàn)中，將傳統(tǒng)TL431恒流源和改進(jìn)后高精度小電流恒流源同時(shí)通電工作，保持溫度為20℃不變，待恒流源穩(wěn)定工作后，采用安捷倫數(shù)字萬用表對(duì)恒流源輸出電流進(jìn)行測(cè)量，每隔15min測(cè)一組數(shù)據(jù)，共測(cè)10組作為判斷其輸出精度的依據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取電流最大波動(dòng)值除以恒流源額定電流4mA即為恒流源精度。經(jīng)計(jì)算可得，改進(jìn)前恒流源在20℃溫度下準(zhǔn)確度為2.69%，改進(jìn)后恒流源在20℃溫度下準(zhǔn)確度為0.1%?？梢钥闯龈倪M(jìn)后恒流源在輸出精度上有了很大程度的提高。3.3.2抑制溫漂性能對(duì)比

圖3 雙層板卡PCB設(shè)計(jì)圖

表4 改進(jìn)前后恒流源輸出精度對(duì)比

模擬溫度變化環(huán)境的方法一般采用外加熱源和溫控箱兩種方式，前者通過電熱吹風(fēng)產(chǎn)生溫度環(huán)境，使用溫度計(jì)來進(jìn)行溫度標(biāo)定，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)在于電熱吹風(fēng)產(chǎn)生的溫度環(huán)境不穩(wěn)定，溫度計(jì)標(biāo)定精度不高；較之外加熱源法，后者可以產(chǎn)生精準(zhǔn)穩(wěn)定的溫度環(huán)境，所以在實(shí)驗(yàn)中采用溫控箱來模擬溫度變化。

將實(shí)驗(yàn)電路接12V電源后置于溫控箱中，通過溫控箱產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的溫度環(huán)境，溫度變化范圍與仿真分析中一致。初始溫度設(shè)定為-20℃，溫度變化步長(zhǎng)設(shè)置為10℃，在測(cè)量時(shí)保持溫度恒定，采用安捷倫數(shù)字萬用表對(duì)恒流源輸出電流進(jìn)行測(cè)量，同一溫度下測(cè)5組數(shù)據(jù)求其平均值作為輸出電流值。

對(duì)于改進(jìn)前后的電路，恒流源輸出-20～50℃過程中電流隨溫度的變化過程如表5、表6所示。

表5 改進(jìn)前恒流源受溫度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 改進(jìn)后恒流源受溫度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表6中可以看出，-20～50℃溫度環(huán)境下，改進(jìn)后的恒流源受溫度影響大大減小，在溫度變化環(huán)境下的工作適應(yīng)能力得到增強(qiáng)。由改進(jìn)后恒流源仿真分析結(jié)果可知，在電源電壓為12V，負(fù)載為空載情況下，改進(jìn)后的恒流源在很大程度上抑制了元器件溫度漂移帶來的輸出誤差。

3.3.3 輸出穩(wěn)定性對(duì)比

利用Matlab軟件對(duì)輸出電流值進(jìn)行繪制，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸出電流擬合曲線

根據(jù)表5、表6計(jì)算改進(jìn)前恒流源輸出電流平均值為3.9398mA，改進(jìn)后恒流源輸出電流平均值為3.9999mA，將表中的測(cè)量數(shù)據(jù)代入電流穩(wěn)定度公式，得到改進(jìn)前穩(wěn)定度：

可以看出，較之于原電路，改進(jìn)后恒流源電路穩(wěn)定度有著明顯提高，具有良好的輸出穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種利用溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)了-20～50℃溫度變化下可以穩(wěn)定輸出高精度小電流的恒流源的設(shè)計(jì)。通過PCB印刷測(cè)試電路板，對(duì)測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試結(jié)果分析，得出測(cè)試恒流源在溫度變化時(shí)仍然具有穩(wěn)定的高精度小電流輸出，具備飛行器測(cè)試中高精度、低溫漂的要求。設(shè)計(jì)電路中僅使用常用的架上產(chǎn)品，成本較低，易于工程實(shí)現(xiàn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。高精度小電流恒流源的設(shè)計(jì)使用為飛行器測(cè)試過程中的一系列測(cè)量提供了穩(wěn)定恒定電流輸出，可提升飛行器測(cè)試系統(tǒng)的精確性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

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（編輯：李妮）

Design and realization of high precision and small current constant current source

LI Junxiao1，WANG Xuemei1，XU Zhe1，GUAN Zhangjian2，WU Tong1
（1.Department of Control Engineering，Rocket Force University of Engineering，Xi'an 710025，China；2.PLA，No.96714 Troop，Sanming 365000，China）

The constant currentsourcecircuit，built by TL431voltage regulator，has many disadvantages suchas low output accuracy under small currentoutput conditions，the huge temperature drift of working circuit under large temperature span conditions and the disability to inhibit the temperature drift，thus it cannot meet index requirements when testing aircraft system.In this paper，the constant current source was improved:ensured the output accuracy by adding precision operational amplifiers OP77 and π-type filter circuit，designed a resistor network with complementary temperature coefficient，adjusted the appropriate compensation point to reduce the overall temperature drift of the constant current source.Finally，a small constant current source with low temperature drift and high precision was designed and the experiment result show that the improved constant current source has superior performance.

small current；high precision；low temperature drift；constant current source

A

1674-5124（2017）08-0136-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.027

2017-02-03；

2017-04-01

李駿霄（1993-），男，山東曲阜市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)通用測(cè)試方法研究。