一種低功耗高精度電流源設(shè)計(jì)

郭嘉誠(chéng)

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系日益密切，而任何電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源。在日益蓬勃的可穿戴式醫(yī)療設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域，現(xiàn)代各類電子醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展更是離不開(kāi)安全穩(wěn)定的電流源，特別是在手持式設(shè)備呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)的今天。因此，低功耗、寬溫、高精度電流源，成為時(shí)下醫(yī)用安全電流源的設(shè)計(jì)目標(biāo)。結(jié)合各類智能手持設(shè)備的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制也成為現(xiàn)代設(shè)備的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文將以以上目標(biāo)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，給出了一套完整的設(shè)計(jì)方案和仿真結(jié)果。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 改進(jìn)的Howland電路設(shè)計(jì)

經(jīng)典Howland結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是只需四個(gè)電阻，匹配得到其輸出特性可以非常接近理想電流源[1]。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，方便調(diào)試與集成，缺點(diǎn)主要是全部電流均由運(yùn)放輸出，若需要大電流，則運(yùn)放選型會(huì)受到輸出能力的限制，且運(yùn)放工作電壓即為電源可能輸出的最高電壓，甚至在非軌對(duì)軌運(yùn)放下會(huì)有顯著的壓降。由于輸入與輸出中間有電阻網(wǎng)絡(luò)直通，因此輸入噪聲也會(huì)直接傳遞到輸出，影響系統(tǒng)的噪聲特性。同時(shí)，對(duì)于感性負(fù)載的沖擊電流，并不能提供有效保護(hù)，極易造成信號(hào)輸出端擊穿損壞[2]。另外，傳統(tǒng)Howland電路對(duì)電阻匹配的精度有著較高要求，以獲得高輸出阻抗。由于輸入源阻抗會(huì)增加R1的電阻，因此引入的電阻阻值要求很小，以最大程度降低匹配誤差。同時(shí)，電源電壓必須比最大輸出電壓高得多，且運(yùn)算放大器的共模抑制比（CMRR）性能必須相對(duì)良好[3]。綜上所述，本文中將其結(jié)構(gòu)作出改進(jìn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

本文中首次提出改進(jìn)的Howland電路設(shè)計(jì)，對(duì)電流輸出能力有了明顯提升。在提出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，使用大功率達(dá)林頓管擴(kuò)展運(yùn)放的輸出能力，解決了運(yùn)放輸出能力限制帶來(lái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制[4]。同時(shí)，運(yùn)放與主功率輸出級(jí)使用不同的電源，使得系統(tǒng)使用更加靈活方便。對(duì)于本文中所面向的感性負(fù)載且其等效串聯(lián)電阻值非常低的情況，適當(dāng)降低功率級(jí)的電源電壓會(huì)顯著降低達(dá)林頓管的壓力[5]，降低發(fā)熱，增加可靠性。在信號(hào)反饋過(guò)程中，增加了采樣電阻進(jìn)行反饋，避免了在經(jīng)典結(jié)構(gòu)中由于R4電阻需要與其他電阻匹配帶來(lái)的輸出限制，且使用差分反饋信號(hào)使得該電路的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系中不再有達(dá)林頓管的直流放大倍數(shù)——這一嚴(yán)重影響系統(tǒng)輸出精度的參數(shù)，大大提升了系統(tǒng)的精度和可靠性。

假設(shè)運(yùn)放為理想運(yùn)放，則有：

若欲使輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，則必有：

可得到：

可見(jiàn)，理論上輸出電流與輸入電壓是完全線性的關(guān)系。

進(jìn)一步化簡(jiǎn)表達(dá)式，得：

若取k2=k3=k4=1，則輸出電流為：

1.2 恒流源模塊

電路原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

電路由運(yùn)放芯片、三極管、保護(hù)電容等組成?？紤]到噪聲抑制，原理圖上已經(jīng)采用多個(gè)電容與電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波和緩沖，可以大幅降低電源串?dāng)_。仿真階段，已經(jīng)能夠明顯看出前后的差別，電流噪聲有效值降低了20 dB，即10倍以上。在印刷電路板走線時(shí)，應(yīng)特別注意功率走線與模擬信號(hào)走線的距離和交叉問(wèn)題，包括連接正反面的地平面的保護(hù)隔離，以及在印刷電路板的最外側(cè)增設(shè)一圈抑制外部輻射干擾的保護(hù)地環(huán)。在之前的不同版本PCB中，保護(hù)地環(huán)的作用已經(jīng)非常明顯。從輸出結(jié)果上來(lái)看，粗略估算可以將輸出噪聲電壓有效值降低20 dB，即10倍以上。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)匹配分析

考慮到面對(duì)的是實(shí)際電路，自然存在著諸多設(shè)計(jì)限制，特別是對(duì)元器件的選擇和對(duì)系統(tǒng)可靠性的考慮。

電流傳感器以Rs為采樣基準(zhǔn)，分辨率最高要求設(shè)為ΔvLmin，使用N位精度ADC進(jìn)行采樣，其中ADC內(nèi)置增益為GAIN，則得到電流分辨率為：

Rs在技術(shù)指標(biāo)要求下可以選擇范圍為：

設(shè)系統(tǒng)最大輸出電流能力為imax，則元器件對(duì)這個(gè)能力的影響如下：

對(duì)于三極管有PBJT=UCEIC+UBEIB與IE=IC+IB。一般地，IB的值非常低，幾乎可以忽略不計(jì)。電流傳感電阻特性有PRs=URsIRs與IRs=IE。純電阻負(fù)載靜態(tài)特性為UL=ILZL。因此，兩個(gè)最重要的工作元件功率限 制 為：PBJT≈ (VCC-ImaxRs-ImaxZL)·Imax≤ Pmax(BJT)與PRs=Rs≤Pmax(Rs)。所以，可以得到：

圖2 電路原理

設(shè)計(jì)中，需要每路輸出電流最高500 mA，采樣電阻Rs的耗散功率為1 W。根據(jù)純電阻功率式（10），再將電流容量保留至500 mA后，最終確定電阻值為1 Ω。本文實(shí)際使用時(shí)，采用0.22 Ω進(jìn)行測(cè)試。

令：則有：

設(shè)：

則有解得

又因?yàn)镽s確定為1 Ω，DAC輸出電壓范圍為0～2.5 V，因此的值分別確定為k1=k3=10 kΩ和k2=k4=100 kΩ。解得 k2=k4=10，k3=1，R1～R4

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)負(fù)載為1 Ω，采樣電阻為1.09 Ω時(shí)，單路模塊測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單路模塊測(cè)得的數(shù)據(jù)

圖3 單路模塊電流輸出

Current=272.4*Vout-0.285 3

SSE:6.321

R-square:0.999 9

RMSE:0.536

由上述可知，該情形況下模塊的線性輸出達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。特別是在測(cè)量?jī)x器本身具有較高的基礎(chǔ)噪聲時(shí)，依然能夠得到非常接近1的R2值，說(shuō)明模擬系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)較為成功。

當(dāng)負(fù)載為0.22 Ω，采樣電阻為0.22 Ω時(shí)，單路模塊測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。利用MATLAB軟件將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖4所示。此次改進(jìn)設(shè)計(jì)不僅將預(yù)期設(shè)定的300 mA電流大大擴(kuò)增到近1 A的大電流，同時(shí)保持著良好的線性度，關(guān)鍵的模擬電路設(shè)計(jì)已經(jīng)超出預(yù)期要求。

表2 單路模塊的測(cè)得數(shù)據(jù)

圖4 單路模塊電流輸出

Current=679*Vout+5.867

SSE:107

R-square:0.999 9

RMSE:2.67

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)Howland電路具有良好的線性輸出。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗寬溫高精度程控電流源。該設(shè)計(jì)以V/I轉(zhuǎn)換電路為核心電路，以改進(jìn)的Howland結(jié)構(gòu)為主要拓?fù)?，進(jìn)一步提高了電流源的精度，使絕對(duì)誤差仿真值達(dá)到了納安級(jí)。實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)際電路測(cè)量值絕對(duì)誤差達(dá)到微安級(jí)，得到的電流源為高精度的壓控電流源。

[1] 鄭步生，吳 渭.Multisim 2001電路設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2] 詩(shī) 白，成 英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] Al-Obaidi A A，Meribout M.A New Enhanced Howland Voltage Controlled Current Source Circuit for EIT Applications[C].Proceedings of the GCC Conference and Exhibition （GCC），2011：327-330.

[4] Stiz R A，Bertemes P，Ramos A，et al.Wide Band Howland Bipolar Current Source Using AGC Amplifier[J].Latin America Transactions，2009，7（5）：514-518.

[5] Pelicia M M，dos Reis Filho C A.Fully Integrated Programmable Howland Current Source for Sensors Excitation[C].Proceedings of the Devices，Circuits and Systems，2002 Proceedings of the Fourth IEEE International Caracas Conference on，2002