壓控恒流源電路分析

劉宏巖 徐東明

摘 要：恒定電流源由于具有抗干擾能力強，適合驅(qū)動半導(dǎo)體器件等優(yōu)點，在信號傳輸與信號測量、半導(dǎo)體光源驅(qū)動等方面得到廣泛應(yīng)用。文章介紹了4種恒流源電路，可以滿足多方面需求，在實際應(yīng)用中具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：壓控恒流源；霍爾電流傳感器；開關(guān)恒流源

在日常生活中，在半導(dǎo)體激光器、LED光源、溫度測量、模擬信號遠距離傳輸及電池充電等方面經(jīng)常用到恒流源電路。由于使用電位器即可方便地實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，而且CPU通過DAC的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件也可以簡單地輸出模擬電壓信號，因此，壓控恒流源可以很方便地實現(xiàn)手動或自動控制，壓控恒流源電路也具有廣泛的應(yīng)用價值。

壓控恒流源電路從工作狀態(tài)上分為連續(xù)及開關(guān)兩種，連續(xù)狀態(tài)的恒流源電路的核心是運算放大器及調(diào)整管；開關(guān)狀態(tài)恒流源電路的核心是PWM控制器及開關(guān)管。工作在連續(xù)狀態(tài)的恒流源電路具有較高的精度，而開關(guān)型恒流源電路具有高的效率。

運算放大器由于受到器件制造上限制，輸出電流只有數(shù)個毫安，在諸如使用溫敏電阻Ptl00進行溫度測量時夠用，在10 mA以上的電流輸出時，需要三極管或場效應(yīng)管輔助才能實現(xiàn)[1]。下面介紹幾種恒流源電路。

1 電源正極和三極管集電極恒流源電路

電源正極和三極管集電極作為輸出的恒流源電路，是最常使用電路，其基本電路如圖1所示。圖1中的電容CI為積分電容，可以使輸出保持穩(wěn)定，電阻R1為三極管基極限流電阻，防止在空載時運放輸出電流過大而損壞，電阻R2把采樣電阻的電流值增加了一個低通濾波環(huán)節(jié)，也使得電流輸出更加穩(wěn)定，電阻R6作為電流負載，為恒流源提供了一個小電流，在負載是LED光源時，可以防止LED存在暗亮關(guān)不斷的問題。

圖l中的運放工作在跟隨狀態(tài)，即放大倍數(shù)為1，如果采樣電阻較小，需要運放有一定的放大倍數(shù)時，可以增加2個電阻，把運放接成同相放大狀態(tài)。

圖l中的輸出電流有公式i=VrNIRs，VIN為運放正輸入端的給定電壓，Rs為電流采樣電阻。值得注意的是實際輸出的電流是三極管的集電極電流，而采樣電阻采集的是三極管的發(fā)射極電流，兩者之比值為，β是三極管的電流放大倍數(shù)，當(dāng)需要電流輸出精度較高時，可以選用電流放大倍數(shù)大的達林頓三極管或N溝道場效應(yīng)管。

圖l中，由于TL431輸出的參考電壓為2.4 V，采樣電阻Rs為1 Q，因此，電路最大可以有2.4 A的電流輸出。

圖1的恒流源電路具有輸出電流大、輸出電壓高的優(yōu)點，主要缺點是輸出端沒有電源地，對于外殼是負極的負載，需要考慮安裝絕緣問題。

2 毫安級恒流源電路

由于電流太大會使電阻發(fā)熱，影響溫度測量精度，一般把電流限定在1-2 mA。該電流在運算放大器的輸出電流范圍內(nèi)，因此，小電流恒流源電路可以不使用三極管器件，精度可以達到更高。毫安級恒流源電路如圖2所示。

圖2中運放UI和電阻組成一個同相放大電路，U2輸出2.4V左右的基準(zhǔn)電壓，通過調(diào)節(jié)電位器VRI，可以使運放的正輸入端的電壓為2 V，負反饋接法通過運放的輸出調(diào)節(jié)，負輸入端也就是電阻R3兩端的電壓也是2V，2V電壓加到阻值為2kQ的電阻R3上，流過R3的電流是1mA，由于運放的輸入阻抗很大，基本不取電流，因此，流過溫敏電阻Rt的電流也將是lmA。

圖2中，如果電阻Rt為Ptl00（0℃時電阻值為100 Q），1 mA的恒流源，0。C時電阻Rt兩端的電壓為0.1 V，如果經(jīng)差動放大器放大20倍，Rt兩端可以放大達到2V，便于ADC進行信號采集。差動放大器可以采用AD620等高精度儀表放大器。

3大電流恒流源

提高恒流源效率主要采用2種方法：采用霍爾電流傳感器代替采樣電阻；把電流信號反饋到開關(guān)電源管理芯片上的PWM控制器，控制開關(guān)管開關(guān)的占空比，使開關(guān)電壓源為開關(guān)電流源。

3.1霍爾電流傳感器介紹

霍爾電流傳感器工作原理是利用線性低漂移霍爾器件，檢測通有電流導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場，把磁場強度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過放大及低通濾波輸出和電流成正比的電壓值翻。

ACS758系列霍爾電流傳感器由測量范圍為50-200 A的一個系列組成，每個量程又分為單向和雙向測量兩個種類。當(dāng)供電電壓為5V時，測量雙向電流的ACS758，其零電流輸出值為2.5v，單向測量的ACS758的零電流輸出值為OV。

由于ACS758的原邊電阻只有100 μΩ，即使流過200 A的電流，其壓降也只有20 mV，因此，具有高的電流測量靈敏度和低功耗。

ACS758系列電流傳感器的響應(yīng)時間為3 μs，帶寬為120 kHz，在開關(guān)恒流源中作為測量電流的反饋器件時，完全滿足一般開關(guān)頻率（50 kHz）的要求。

3.2開關(guān)恒流源

一般的開關(guān)電源是把輸出電壓反饋到電源管理芯片的反饋控制端，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，如果把輸出電流變成電壓作為反饋信號反饋到PWM控制器，即可達到穩(wěn)定電流的目的，也就實現(xiàn)了開關(guān)恒流源功能。 開關(guān)電源之所以具有較高的效率，是因為主開關(guān)K工作在開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)開關(guān)K導(dǎo)通時，K上壓降很小，消耗功率小；當(dāng)K斷開時，K上雖然有壓降但沒有電流，消耗功率也小。

開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)有降壓型（BUCK）、升壓型（BOOST）等5種類型，以降壓型結(jié)構(gòu)用得最為廣泛，其拓撲結(jié)構(gòu)的電路原理如圖3所示。

圖3的工作原理是當(dāng)K導(dǎo)通時，二極管D截止，電源通過電感L向電容C及負載R提供電流；當(dāng)K斷開時，電感里面的儲能起了電源的作用，其電流通過二極管D和電容電阻構(gòu)成回路，把儲能提供給負載。在開關(guān)頻率較高時，負載上的壓降波動很小。開關(guān)K的工作頻率一般恒定，當(dāng)輸出減小時，PWM管理芯片會增加導(dǎo)通時間，反之則減小導(dǎo)通時間，從而達到穩(wěn)定電壓（如果反饋值是電壓）或電流（如果反饋值是電流）的目的。

開關(guān)K-般由三極管或NMOS場效應(yīng)管或IGBT構(gòu)成，由于NMOS場效應(yīng)管具有工作電流大、導(dǎo)通電阻小、控制端不取電流等優(yōu)點，有取代三級管的趨勢。

在采用N溝道場效應(yīng)管作為開關(guān)K時，其最大難度在于其源極電壓較高，驅(qū)動時，需要更高的柵極電壓。近年來，隨著基于浮動通道技術(shù)的NMOS驅(qū)動芯片的出現(xiàn)，使得驅(qū)動高端NMOS變得非常簡單。如使用IR2104場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，可以簡單地實現(xiàn)由相同NMOS管組成的半橋電路。

開關(guān)電源控制管理芯片常用的有TL494，KA7500，SG3524等，其芯片內(nèi)部都有完備的基準(zhǔn)電壓、鋸齒波發(fā)生器、死區(qū)控制等功能，把其反饋控制端和霍爾電流傳感器連接起來驅(qū)動NMOS，即可構(gòu)成高效率高輸出恒流源電路。

開關(guān)式恒流源的優(yōu)點是效率高、輸出電流大，但由于工作在開關(guān)狀態(tài)，因此，存在輸出紋波大的缺點。

4結(jié)語

上述介紹的3種恒流源電路，每種電流都有優(yōu)點和不足，使用時可以根據(jù)需求選擇適合的電路。在把握負反饋原理和了解器件特點基礎(chǔ)上，設(shè)計出新的恒流源電路也不會很困難。

[參考文獻]

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].5版北京：高等教育出版社，2006

[2]李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006