毫安級可控恒流源設計

于保軍，孫倫杰，邊亞輝，劉靜，于文函

（1.長春工業(yè)大學，吉林 長春 130012；2.山東協(xié)和學院，山東 濟南 250107）

毫安級可控恒流源設計

于保軍1，孫倫杰1，邊亞輝1，劉靜2，于文函1

（1.長春工業(yè)大學，吉林 長春 130012；2.山東協(xié)和學院，山東 濟南 250107）

在檢測安全氣囊的工作電阻時，為使得工作能夠安全高效的進行，文章設計出了毫安級高精度可控恒流源。該恒流源由兩大塊組成，分別是恒流源控制模塊和電源模塊，文章中將鏡像電源電路作為恒流源控制模塊，采用精密電阻Ro作為采樣電阻，把Ro輸出的電壓通過AD芯片反饋給控制系統(tǒng)，經(jīng)過程序運算，控制DA芯片輸出電流，把輸出電流轉(zhuǎn)變成電壓，然后經(jīng)過放大電路進行調(diào)整輸入恒流源控制模塊電壓，從而實現(xiàn)恒流源可調(diào)。最后，通過實驗驗證，該直流恒流源電流最大誤差為3.23%，滿足5%以內(nèi)的要求；最大紋波系數(shù)為0.00032%，滿足低于0.001%的要求。

控制模塊；電源模塊；鏡像電源電路；恒流源精度；紋波系數(shù)

引言

恒流源是能夠向負載提供恒定電流的穩(wěn)定電源模塊，它被廣泛地應用于各種測量與控制系統(tǒng)中，在電子技術(shù)中具有非常重要的地位[1]。隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車已經(jīng)邁入普通家庭的消費視野，隨之而來駕駛汽車的被動安全性開始成為人們談論的熱點，而安全氣囊作為被動安全性的重要組成之一，在發(fā)生事故時，其能否安全正常的工作至關(guān)重要。因此，對于安全氣囊工作電阻是否合格的檢測是必要的，在檢測時如果使用大電流檢測會引爆安全氣囊，而使用 1mA恒流源對工作電阻進行檢測既不會引爆安全氣囊又大大提高工作效率，因此，1mA恒流源的設計顯得尤為重要。

恒流源分為流出(Current Source)和流入(Current Sink)兩種形式。設計恒流源時可以利用一個電壓基準，在電阻上形成固定電流。這樣的話，恒流源的搭建就可以擴展到所有可以提供這個“電壓基準”的器件上。

1 可控毫安恒流源電路原理設計

1.1 可控毫安恒流源系統(tǒng)框圖

如圖1所示。該系統(tǒng)框圖包括單片機控制系統(tǒng)、恒流源控制模塊、電源模塊、A/D芯片、D/A芯片、LED液晶等。具體工作過程：通過鍵盤輸入信號給單片機，單片機將控制D/A芯片，把D/A芯片輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，接著經(jīng)過運算放大器放大電路，把電壓放大到相應的倍數(shù)，作為恒流源控制模塊的輸入電壓，而電源模塊作為恒流源控制模塊的基準電壓，最后利用A/D芯片采集采樣電阻兩端電壓，反饋到單片機控制系統(tǒng)，把反饋的實際電壓與設定電壓進行比較，通過控制程序算法對輸入電壓進行調(diào)整，維持輸出電流恒定。

圖1 可控毫安恒流源系統(tǒng)框圖Fig.1 Milliamperes controllable constant current sourcesystem block diagram

1.2 電源模塊

如圖2所示，該電源模塊由穩(wěn)壓芯片，變壓器和濾波電容等組成。該模塊為單片機提供v5±工作電壓，為運算放大器提供v18±基準電壓。

圖2 電源模塊電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of power module circuit

變壓器選型計算方法如公式（1），經(jīng)過變壓器變壓后，開始對電路進行整流濾波，該電路在整流前對電路高頻濾波作用是避免大的沖擊波損壞后面的電子元器件[2]。

整流過后進行二級濾波，同時又加上穩(wěn)壓芯片，其主要作用是使輸出為平滑的直流電壓，并且可以避免線路中的諧波干擾。在電源設計中，濾波電容的選取原則是：C≥2.5T/R，

式中：

C為濾波電容，單位為μF；

T為頻率，單位為Hz；

R為負載電阻，單位為Ω。

如圖3和圖4所示穩(wěn)壓前后電壓對比[3]。

圖3 穩(wěn)壓芯片7818前后電壓波形對比圖Fig.3 Comparison of voltage waveform before and after voltage regulator chip 7818

圖4 穩(wěn)壓芯片7805前后電壓波形對比圖Fig.4 Comparison of voltage waveform before and after voltage regulator chip 7805

1.3 恒流源控制模塊

如圖5所示，恒流源控制模塊是由鏡像電路組成，當電源電壓Uin變化時，雖然IRI和IC1也要變化，由于RE的負反饋作用，IC2的變化將要小得多，提高了恒流源對電源變化的穩(wěn)定性。當溫度上升時，I0將要增加，此時UBE1和UBE2均將下降，所以對I0的增加有抑制作用，提高了恒流源對溫度變化的穩(wěn)定性。由于RE引入電流負反饋。因此微電流的輸出電阻比Q2本身的輸出電阻rce要高得多，更接近理想的恒流源[4]。

圖5 恒流源控制模塊電路原理圖Fig.5 circuit principle of constant current source control module

在Q2的發(fā)射極引入RO，由UBE2＜UBE1，可知IRI＜IR，根據(jù)PN節(jié)伏安特性方程：

當UBE＞＞UT時，

代入上式（4），（5）得：

由公式（6）得IO，然后經(jīng)程序控制算法公式（7）處理后，通過控制程序不斷調(diào)整Uin輸出大小，直至輸出電流值在(1～±5%)mA 之內(nèi)[5]。

式中：

b*--R0電壓實測值；

b0-- R0電壓設定值；

a0--輸入D/A芯片數(shù)字量設定值；a*0--輸入D/A芯片實際數(shù)字量；k --放大電路放大倍數(shù)。

由公式（6）得，

當I0=1.00mA，

2 裝配與調(diào)試

本文按照電路原理圖，制作了PCB板，并焊接了電子元器件。為了測量方便、穩(wěn)定，負載電阻由固定阻值的電阻串聯(lián)，在PCB板上留出了插頭端子，直接把負載電阻引腳插上去即可[6]。焊接完成后，對電路板進行了調(diào)試。

3 可控毫安恒流源測試與分析

3.1 測試內(nèi)容

該電路的原理是通過鍵盤設置輸入鏡像電路的Uin，根據(jù)公式（6）得出理論電流值，因IR0≈I0，所以把R0作為采樣電阻，檢測采樣電阻兩端電壓UR0，利用歐姆定律公式（8），得到恒流源輸出電流I0。

3.2 測試方法

3.2.1 證明輸出恒流1mA

改變負載大小，電流表示數(shù)為1mA不變時，可證明輸出為恒流1mA。

3.2.2 測出固定電流下的帶負載能力

在固定電流下，改變負載大小，電流表示數(shù)改變時的電阻值（一般取較小值），此電阻值即為在此電流下的恒流源所能驅(qū)動的最大負載。

3.2.3 恒流源的精度

從兩個方面測量，一是受負載影響，二是受周圍電路干擾[7]。即通過按鍵設置輸入電壓Uin=15v時，負載RL在一定范圍內(nèi)變化，觀察電流的波動；當輸入電壓Uin=0V時，檢測I0，觀察電流的波動。由于上述測量有相互限制，所以開始時應反復測量。

3.2.4 穩(wěn)定直流電源的紋波系數(shù)

一般由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的直流穩(wěn)定電源，不可避免地在直流穩(wěn)定量中帶有一些交流成分，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波，而紋波系數(shù)的大小衡量著一個穩(wěn)定電源的穩(wěn)定度[8]。

3.3 測試具體操作

3.3.1 電流固定，改變負載，記錄電流表示數(shù)

表1 測試數(shù)據(jù)Table 1 Test Data

以I0=1mA為例，取RL=1Ω時，通過按鍵設置輸入電壓Uin=15V時，調(diào)節(jié)負載RL觀察電流表示數(shù)（見表1）。固定I0=1mA時，調(diào)節(jié)負載 RL，多次反復側(cè)量最大電阻值為RL=12KΩ，如圖6和圖7所示。

圖6 RL取0-12KΩ時，電流的波動Fig.6 RL take 0-12KΩ, the current fluctuations

圖7 RL取0-10Ω時，電流的波動Fig.7 RL take 0-10Ω, the current fluctuations

3.3.2 電流固定，改變負載，記錄紋波峰峰值

安全氣囊工作電阻一般在2～3Ω范圍內(nèi)，因此取1～10Ω負載電阻作為采樣。調(diào)節(jié)負載，記錄不同負載下的紋波峰峰值，如圖8所示。

圖8 不同負載下紋波波形Fig. 8 ripple waveforms under different load

紋波系數(shù)按公式（9）計算，不同負載情況下的最大紋波系數(shù)如圖9所示。

式中：

δU--紋波系數(shù)；

UO--波峰有效值；UP--基準電壓。

圖9 紋波系數(shù)波動圖Fig.9 ripple coefficient

3.4 數(shù)據(jù)分析

由表1可知，該恒流源系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒流輸出，電流越大，帶負載能力越弱，運用此恒流源時應注意其帶負載范圍。

由圖6和圖7可得其具有恒流特性，因受環(huán)境、地點及器件本身的影響，電流有一定的波動。當輸入電壓 Uin=0V時，電流表示數(shù)顯示0.31mA誤差，通過程序算法消除零點誤差。由圖 9可見，1mA以上其電流波動量最大為 IMAX=1 .0323-1=0.0323mA，其精度為 0.0323÷1×100%=3.23%，滿足對低于精度5%的要求。由圖 9可得，該直流恒流源的最大紋波系數(shù)為 0.00032%，滿足低于對紋波系數(shù) 0.001%的要求。

4 結(jié)論

綜上所述，本直流恒流源電流最大誤差為 3.23%，滿足5%以內(nèi)的要求；最大紋波系數(shù)為0.00032%，滿足低于0.001%的要求。本恒流源具有穩(wěn)流精度高，紋波系數(shù)小，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等特點，這對應用于汽車 DAB工作電阻的檢測具有很大的現(xiàn)實意義。

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Milliamperes controllable constant current source design

Yu Baojun, Sun Lunjie, Bian Yahui, Liu Jing, Yu Wenhan
( 1.Changchun University Of Technology, Jilin Changchun130012; 2.Shandong Xiehe University, Shandong Jinan250107 )

In the detection of the working resistance of the airbag, in order to make the work can be safe and efficient, in this paper, a high precision and controlled current source is designed. The constant current source consists of two parts,respectively is the constant current source control module and power module. In this paper, the mirror power circuit is used as a constant current source control module, the precision resistor Ro is used as the sampling resistance. The Ro output voltage through AD chip is feedback to the control system, and then through the output current operation program of the DA chip is controlled, and the output current is converted into a voltage, then after adjusting the input amplifier circuit of constant current source voltage control module, the constant current source can be adjusted. Finally, the experimental results show that the maximum error of the DC current source is 3.23%, which meets the requirement of 5%. The maximum ripple factor is 0.00032%, which meets the requirement of 0.001%.

control module; power supply module; power mirror circuit; the current source accuracy; ripple factor

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-51-05

U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-51-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.018

于保軍（1970-），男，吉林長春，博士，副教授，就職于長春工業(yè)大學。研究方向：精密加工與檢測技術(shù)、機電一體化綜合技術(shù)。