高效率可多路均流的恒流源電路設(shè)計

張 波，汪義旺，宋 佳，吳 杰

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 智慧能源裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215104)

恒流源應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，如光強度標(biāo)準(zhǔn)燈、電子真空管、半導(dǎo)體器件參數(shù)測量、各類物性型敏感器件、LED照明[1]等等都會用到恒流源。恒流源的性能直接關(guān)系到具體產(chǎn)品的性能。在各種恒流源電路中，運算放大器加功率MOS管構(gòu)成的壓控恒流源具有精度高，輸出電流范圍大等優(yōu)點，是最為常見的一種恒流源[2]。但這種恒流源的功率MOS管通常不工作在可調(diào)電阻區(qū)，MOS管管壓降大，恒流源效率不高。本研究巧妙地采用集成運放采樣功率MOS管電壓，使MOS管工作于可調(diào)電阻區(qū)附近，極大地提高了恒流源效率。

1 壓控恒流源和單端反激式電路簡介

壓控恒流源基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電源Vcc、負(fù)載、MOS管Q1的漏源極和電阻R串聯(lián)組成。R為采樣電阻，其上電壓UR送至集成運算放大器的同向輸入端，運算放大器反向輸入端加給定電壓Ui，運用運放虛短概念可得UR=Ui；Q1為運放的輸出控制功率管。負(fù)載上電流，即流過電阻R上的電流為Io=Ui/R。當(dāng)負(fù)載變化時，電阻R上電壓變化會使得運放輸出變化，從而改變Q1漏源兩端上的電壓，隨即電阻R上電壓變回UR=Ui，則負(fù)載上電流不變。因此，當(dāng)采樣電阻大小固定時，負(fù)載上電流由給定電壓Ui控制，稱之為壓控恒流源，輸出恒流的大小為Io=Ui/R。當(dāng)MOS管工作在飽和區(qū)并且柵源電壓UGS恒定，則漏極輸出電流穩(wěn)定度高，且優(yōu)于工作于放大區(qū)基極電源恒定的GTR[3]，再加上MOS管輸入阻抗很高，所以很適合用于壓控恒流源。這種壓控恒流源電路精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但因功率管Q1通常工作于場效應(yīng)管的飽和區(qū)導(dǎo)致管壓降大，恒流源效率低。

單端反激式DC/DC變換電路是一種輸入輸出隔離的DC/DC變換電路，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低及可靠性高等很多優(yōu)點[4]，廣泛應(yīng)用于功率不太大的直流電源供電場合，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。變壓器同名端設(shè)置，當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時二極管D承受反壓，變壓器副邊無電流，變壓器相當(dāng)于一個電感在存儲能量；當(dāng)S斷開時，二極管D導(dǎo)通，變壓器存儲的磁能供給負(fù)載。因開關(guān)管S導(dǎo)通時變壓器沒有能量傳遞到負(fù)載，能量是在開關(guān)管S斷開時由變壓器傳遞給負(fù)載的，因此稱為反激式[5]。

圖1 壓控制恒流源基本結(jié)構(gòu)

圖2 單端反激式DC/DC電路

2 高效可多路的恒流源電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的高效率可多路恒流源系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)由兩級電路構(gòu)成，單端反激式電路為第一級，是控制的外環(huán)；壓控恒流源是第二級，是控制的內(nèi)環(huán)。單端反激式變換電路把220 V市電轉(zhuǎn)化為直流電，為后面壓控恒流源供電。壓控恒流源把直流電變成負(fù)載上所需的恒定電流輸出。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2 具體電路設(shè)計

高效率可多路恒流源電路如圖4所示。單端反激式控制以UC3845為核心，壓控恒流源由集成運算放大器LM358和功率MOS管構(gòu)成。UC3845是一種固定頻率的電流模式高性能PWM集成控制器，集成有高增益的誤差放大器、電流取樣比較器、振蕩器、大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動MOS管。其中電流模式是指一種雙閉環(huán)控制方式，是一種固定時間開啟，由給定電壓信號、反饋電壓信號和反饋電流信號共同決定關(guān)斷時刻的控制方法[6-7]。UC3845開啟電壓為8.5 V，工作后斷電欠壓輸出鎖定(關(guān)閉)電壓為7.6 V，工作頻率達(dá)500 kHz，輸出占空比不大于50%，其工作參數(shù)均適合本設(shè)計需求。LM358內(nèi)部包括兩個獨立的、高增益的、內(nèi)部頻補償?shù)倪\算放大器，可單電源供電(3～ 30 V)，也可以雙電源供電(±1.5～±15 V)。

圖4 高效率可多路恒流源電路

恒流源電路由LM358中的一個運算放大器B、功率管Q2、電流檢測電阻RS2構(gòu)成。壓控恒流源給定電壓Ug加在運算放大器B的6腳上，圖4中未給出給定電壓的電路部分。給定電壓可由高精度穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后再并聯(lián)精密電阻分壓后獲得。兩個NPN型三極管Q3和Q4構(gòu)成鏡像電流源，可確保兩個支路負(fù)載LOAD1和LOAD2上電流相等。如果出現(xiàn)多支路需要均流時，鏡像電流源可增加支路，若只有一個支路，則不需要鏡像電流源設(shè)計，負(fù)載直接跨接在單端反激式電路輸出正端和Q2的漏極之間。

變壓器T1、功率管Q1、二極管D1、電容C2和電流檢測電阻RS1構(gòu)成單端反激式主電路。單端反激式輸入直流電Uin可以從220 V市電經(jīng)二極管橋式整流電容濾波后獲得，圖4中未給出該部分的電路。UC3845的6腳輸出PWM信號經(jīng)R3直接驅(qū)動Q1；RS1上電流檢測信號經(jīng)過R8送至UC3845的3腳。二極管D2、D3、電阻R3和電容C1構(gòu)成軟啟動電路。電壓反饋信號加在UC3845的2腳。芯片供電部分、振蕩電路部分等可以采用芯片廠家給出的參考電路設(shè)計。

UC3845內(nèi)部集成的誤差放大器同向輸入端在芯片內(nèi)部獲得精準(zhǔn)的2.5 V電壓，同向輸入端沒有引腳引至芯片外，誤差放大器反向輸入端是其2引腳。加在UC3845的2腳上電壓反饋信號由兩部分構(gòu)成。一部分是單端反激式輸出電壓，也即壓控恒流供電電壓，由R5、R6和RP2分壓后加在UC3845的2腳，此輸出電壓反饋控制單端反激式的輸出電壓，使其輸出電壓穩(wěn)定。本設(shè)計中為了便于采用LM358，當(dāng)只有此輸出電壓反饋，則單端反激式輸出電壓穩(wěn)定在30 V。因壓控恒流源功率管Q2和負(fù)載串聯(lián)，故不能采用給Q2關(guān)聯(lián)電阻分壓的方式進(jìn)行電壓反饋，但可利用運放輸入阻抗高的特點，由LM358中的另一運放A同向輸入端3腳采樣Q2漏極電壓，則運放A構(gòu)成電壓跟隨器，其1腳上輸出電壓等于Q2漏極上電壓。運放A的1腳電壓經(jīng)R9和RP1分壓后同樣送至UC3845的2腳。此時UC3845的2腳上的兩路反饋同時工作。電路中采用Q2的漏極電壓采樣反饋的目的在于限定Q2的管壓降，使其始終工作于可調(diào)電阻區(qū)附近，從而提高了系統(tǒng)的效率。當(dāng)反激式輸出電壓高于30 V時輸出電壓反饋使其輸出電壓限定在30 V，當(dāng)輸出電壓低于30 V時輸出電壓反饋不起做用，此時主要由壓控恒流源功率管漏極電壓反饋工作，限定功率管Q2管壓降。RS1選取0.100 Ω的高精度電阻，允許電流為5 A以上。Q2選取IRF540型MOS管。考慮到同向運算放大器(電壓跟隨器)的特性和實際反激式電路的輸出電壓，為了使MOS管Q2盡可能的接近可調(diào)電阻區(qū)，本設(shè)計選擇當(dāng)漏極電壓采樣部分使系統(tǒng)穩(wěn)定時Q2漏極電壓為2.8 V，也可以根據(jù)需要設(shè)為其它電壓值。二極管D4的作用為當(dāng)輸出電壓低于30 V時Q2漏極電壓反饋部分不受輸出電壓反饋部分的影響。穩(wěn)壓管VZ1限定LM358的供電電壓，穩(wěn)壓管VZ2限定UC3845的2腳上最高電壓。

3 實驗方法與結(jié)果

實驗時圖4中輸入的直流電Uin是由220 V市電經(jīng)二極管橋式整流和電容濾波后得到，約280 V，實驗在常溫下進(jìn)行。實驗前要先對電路按以下步驟調(diào)節(jié)：①電路不接負(fù)載，即空載，然后接通市電；②調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP2，使單端反激式輸出電壓為30 V；③調(diào)節(jié)給定電壓Ug為0.100 V；④負(fù)載LOAD1和負(fù)載LOAD2都取阻值10 Ω功率5 W的電阻，斷開電源后接入負(fù)載，然后再次接通電源；⑤調(diào)節(jié)調(diào)電阻RP1，使功率管Q2的漏極和地之間電壓為2.8 V；當(dāng)Q2為不同類型的管子時，此電壓略有不同，使用時應(yīng)讓其盡可以地工作在可調(diào)電阻區(qū)附近。圖4中電路的輸入有功功率記為Pin，負(fù)載LOAD1和LOAD2實際消耗的有功功率分別記作P1、P2。系統(tǒng)效率η定義為：

測量時壓控恒流源給定電壓Ug保持為精確的0.300 V，即流過Q2漏極輸出恒流為3 A，負(fù)載LOAD1和LOAD2均為純電阻性負(fù)載。實驗測得的負(fù)載LOAD1和LOAD2兩個支流上電流I1和I2及系統(tǒng)總的效率如表1所示。從表格中可以看出，加入了鏡像電源部分后系統(tǒng)效率仍可達(dá)75%以上，對比傳統(tǒng)的直接由市電供電的壓控恒流源，系統(tǒng)效率大幅提高，且恒流精度沒有任何降低。當(dāng)負(fù)載上電壓低時，功率管Q2壓降在單端反激式輸出電壓中占比略大，再加上單端反激式輸出電壓偏低時本身效率也不太高，故此時系統(tǒng)效率低。隨著負(fù)載上電壓增加，系統(tǒng)效率隨之提升。當(dāng)兩路負(fù)載不對稱時，系統(tǒng)效率下降，原因在于鏡像電源中有一個三極管上功耗增加了。本實驗中因考慮到鏡像電流源中采用的三極管的最大功耗，兩路負(fù)載并未相差太多。

表1 恒流3A 時不同負(fù)載下測試結(jié)果

4 結(jié)論

設(shè)計的恒流源系統(tǒng)巧秒地利用運算放大器采樣壓控恒流源的功率管電壓，使功率管盡可能地工作于可調(diào)電阻區(qū)附近(近似于開關(guān)閉合的狀態(tài))，在沒有降低恒流精度的前提下，提高了系統(tǒng)效率；并且所設(shè)計的恒流源系統(tǒng)電子元件數(shù)量幾乎沒有增加，更未采用特殊的或價格較貴的器件，性價比很高。該設(shè)計可用于如LED照明等需恒流驅(qū)動多支路均流的情況，也可以用于電子設(shè)備儀器等；同時系統(tǒng)采用了高校教材中的多個經(jīng)典電路，因此在高校實驗實訓(xùn)中有很大的推廣價值[7]。