采用TPS40170的高精度恒流源設(shè)計(jì)

許國(guó)忠 ，張?jiān)罉s ，饒連周 ，陳俊瑋

（1．裝備智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明，365004；2．三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明，365004；3．福建電視大學(xué) 三明分校，福建 三明，365004）

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,恒流源在實(shí)際工程中有廣泛的用途，是蓄電池充電、LED驅(qū)動(dòng)、電鍍、傳感器設(shè)計(jì)、激光器驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域常用的供電方式[1-2]。目前恒流源的設(shè)計(jì)方案多采用D/A+運(yùn)放+功率管的形式或者使用分立元件組成的開關(guān)電源形式，這兩種形式的恒流源均存在著一些的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于電壓可調(diào)開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的恒流源方案，雖能降低成本和提高精度，但也有輸出電流偏小和效率不高的問題。為了解決這些問題，本文提出了一種利用穩(wěn)壓源改成高精度恒流源的方案，選擇同步PWM降壓控制芯片和導(dǎo)通電阻極低的MOS管替代整流二極管進(jìn)行同步整流，降低了損耗[4-6]，提高效率，取得了良好的效果。

1 高精度恒流源的電路設(shè)計(jì)

高精度恒流源電路原理圖見圖1。本設(shè)計(jì)高精度恒流源主要由具有寬輸入同步PWM降壓高精度恒流源的硬件結(jié)構(gòu)主要由核心器件TPS40170、場(chǎng)效應(yīng)管IPP075N15N3G和OPA2365組成。TPS40170產(chǎn)生兩路PWM波,通過U1引腳17(HDRV)、引腳14(LDRV)分別控制兩個(gè)NMOS管Q1和Q2,利用U1自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間來確保Q1和Q2不同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成同步降壓BUCK拓?fù)?并經(jīng)過LC電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出。恒流源電路通過輸入電壓前反饋補(bǔ)償實(shí)施電壓模式控制，可在輸入電壓變化時(shí)立即做出響應(yīng)[7]，并利用低失真、高共模抑制比、單電源運(yùn)算放大器搭建同向比例電路作為反饋電路，提高了恒流源的精度。

圖1 高精度恒流源設(shè)計(jì)原理圖

2 高精度恒流源的電路設(shè)計(jì)

TPS40170是采用同步PWM降壓控制器，具有寬輸入電壓的降壓型開關(guān)電源芯片?？刂圃韼в须妷呵梆伒碾妷耗Ｊ娇刂啤Ｐ酒_關(guān)頻率可設(shè)定在100～600 kHz范圍。芯片具有自適應(yīng)死區(qū)控制，控制輸出兩路PWM驅(qū)動(dòng)外部高邊和低邊NMOS開關(guān)管；高電壓偏置穩(wěn)壓器采用外部偏置電源繼續(xù)提高效率；且具通過感測(cè)低側(cè) FET實(shí)現(xiàn)的可編程過流保護(hù) (OCP)、通過感測(cè)高側(cè) FET實(shí)現(xiàn)的可選短路保護(hù) (SCP)以及熱關(guān)斷功能。啟用引腳可在低電流（典型值 1 μA）模式下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)斷,并支持閉環(huán)軟啟動(dòng)、輸出電壓跟蹤以及自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制等[7]。高精度恒流源主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)（圖1），采用寬輸入電壓UIN=35～55 V，額定輸入電壓UI=45 V，額定輸出電流IO=3 A，額定輸出電壓UO=40 V，最大輸出功率PO=120 W，滿載效率高達(dá)96%，最大輸入功率為125 W。選取TPS40170的工作頻率fsw=100 kHz。

2.1 輸入電容和輸入分壓電阻

根據(jù)輸入紋波電流額定值和最小紋波電壓選擇輸入電容。根據(jù)TPS40170數(shù)據(jù)手冊(cè)可得，選擇輸入紋波電流額定值的合適近似值是IRMS=IO/2=3A/2=1.5A，輸入紋波電壓是輸入最小電壓。利用公式(1)，可得最小輸入電容：

所以在本設(shè)計(jì)中， CIN采用 4 個(gè)電容 C1=47 μF， C2=33 μF， C3=1 μF， C4=10 μF 并聯(lián)，可減少輸入電容等效電阻，降低電容的損耗，提高效率。

TPS40170啟動(dòng)電壓與遲滯電壓由分壓器R7、R8的分壓值來設(shè)置。利用電容C5與R7并聯(lián)，有助于提高電阻分壓的穩(wěn)定性和降低注入到UVLO引腳的開關(guān)噪聲。在高精度恒流源設(shè)計(jì)中，電容取值為C5=10 nF，UVLO引腳可編程電壓VUVLO=0.9 V，遲滯電流IUVLO=5 μA[7]，啟動(dòng)電壓設(shè)置為VON=30 V（低于最小輸入電壓5 V），關(guān)閉電壓設(shè)置為VOFF=29 V。利用公式(1)、(2)計(jì)算可得分壓電阻R7、R8的值。

2.2 輸入電容和輸入分壓電阻

為了滿足輸出電流IO=3 A，最大輸出功率120 W，需要對(duì)輸出環(huán)路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在BUCK電路中，電感L具有儲(chǔ)能和吸收紋波的作用，當(dāng)輸入電壓最大時(shí)(即UIN（max)=55 V)，電感紋波電流最大[7]。 對(duì)于硬件參數(shù)要求，電感電流不能夠突變，所以選擇的紋波電流為滿載輸出電流IO的30%。由公式(4)計(jì)算，可得電感L1的值。

輸出電容器為負(fù)載提供可以平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波，并在瞬態(tài)負(fù)載條件下提供一個(gè)充電電源[7]。選擇，通過公式(5)計(jì)算可得輸出電容。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 可以采用 4 個(gè)電容 C17=220 μF，C18=4.7 μF，C15=10 μF，C16=33 μF 并聯(lián)來減小輸出電壓的紋波。

2.3 輸入電容和輸入分壓電阻

MOS管Q1和Q2采用英飛凌公司的MOS管IPP075N15N3G,具有輸入阻抗小,內(nèi)阻低,耐壓高,控制電流大優(yōu)點(diǎn)。VDS=150 V，RDS(ON)MAX=7.2 mΩ，ID=100 A。

芯片TPS40170典型電路頻率工作在fsw=100～600 kHz,工作頻率越高，電感紋波小,但損耗也隨之升高[7]。本設(shè)計(jì)選取較為合理的工作頻率,取fsw=100 kHz。利用公式(6),計(jì)算可得定時(shí)電阻R12的值。在實(shí)際的應(yīng)用中,取R12=91 kΩ。

根據(jù)TPS40170芯片手冊(cè)提示,ENABLE引腳電壓必須大于VEN=0.6V芯片才能處于工作狀態(tài),否則芯片處于待機(jī)狀態(tài)。利用R9與R10進(jìn)行分壓來滿足ENABLE引腳的電壓，取R9=100 kΩ,R10=10 kΩ。TPS40170帶有一個(gè)二級(jí)過流保護(hù)，第一級(jí)過流保護(hù) （OCP）是正常過載設(shè)置，是對(duì)低邊MOSFET管Q2的電壓檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)（OCP)。第二級(jí)保護(hù)是重載設(shè)置，是對(duì)高邊MOSFET管Q1的電壓檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)（SCP）[7]。根據(jù)電路紋波電流，最大輸出電流IO(max)應(yīng)大于額定輸出電流的20%至50%[3]。在此選擇了I0=3 A的130%，IILIM=9.0 μA，考慮線電阻取RDS(on)=100 mΩ。通過公式（7），計(jì)算可得限流電阻值R22的值。

2.4 輸出反饋電阻與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻電容

利用OPA2365運(yùn)放搭建同相放大電路對(duì)輸出的電流IO進(jìn)行采樣放大后，輸出到芯片U1的反饋引腳FB，進(jìn)而控制恒流的輸出。采樣電阻R26采用2512封裝的精密采樣電阻來進(jìn)行采樣，為降低損耗，采樣電阻的取值為R26=0.05 Ω。通過R26兩端的電壓，經(jīng)放大后必須達(dá)到芯片反饋引腳FB內(nèi)部的參考電壓值VREF=0.6 V，所以當(dāng)取R20=1 kΩ時(shí)，運(yùn)放U2A的反饋電阻R17取值就可以通過公式（8）計(jì)算得到 R17=3 kΩ。

由芯片手冊(cè)可知，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)R15的取值應(yīng)在10～50 kΩ之間，這樣可以平衡反饋電流和減小噪聲。在此R15選取為R15=39 kΩ，VFB=0.6 V，通過公式 （9），計(jì)算可得補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)R14的值。實(shí)際取值R14=620 Ω。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)R11、R16、C8、C10、C11是用來設(shè)置反饋網(wǎng)絡(luò)的帶寬和相位裕度，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和減小電路的噪聲。一般選擇1/10的開關(guān)頻率作為帶寬和50°的相位裕度，再利用芯片U1環(huán)路穩(wěn)定性工具[7]， 就可以計(jì)算得出， R11=3.9 kΩ、R16=510 Ω、C8=8200 pF、C10=220 pF、C11=1500 pF。

3 高精度恒流源的電路設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備采用高精度穩(wěn)壓電源、五位半數(shù)字萬用表、電子直流負(fù)載儀和數(shù)字示波器。固定輸入電壓為45 V，調(diào)整負(fù)載，使輸出電壓在1～40 V之間，輸出電流3 A，測(cè)試5組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出效率和負(fù)載調(diào)整率，具體數(shù)據(jù)見表1。由此可見，在恒流源滿載的情況下，效率可達(dá)η=95.8%，恒流源的電流負(fù)載調(diào)整率Si＜0.1%。

固定負(fù)載電阻值為10 Ω，調(diào)整輸入電壓，使其在35～55V之間變化，測(cè)得5組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出輸入電壓調(diào)整率Sv，具體數(shù)據(jù)見表2。由此可見，輸入電壓調(diào)整率Sv＜0.2%。

表1 恒流源的負(fù)載電阻值、輸出電流、效率和負(fù)載調(diào)整率

表2 恒流源的輸入電壓、輸出電流和電壓調(diào)整率

4 結(jié)論

論文闡述了利用穩(wěn)壓源改成高精度恒流源的方案，選擇TI公司TPS40170芯片、OPP075N15N3G場(chǎng)效應(yīng)管和OPA2365為核心器件，設(shè)計(jì)制作了一款高精度恒流源。樣機(jī)測(cè)表明：在輸入電壓Vi=35～55 V的范圍內(nèi)，輸出電壓UO=40 V，輸出電流IO=3 A，轉(zhuǎn)換效率為η=95.8%，且負(fù)載調(diào)整率Si＜0.1%，輸入電壓調(diào)整率SV＜0.2%,是一款高穩(wěn)定度、高精度、高效率的恒流源，可以應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備、高端電子設(shè)備等行業(yè)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。