一種高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動電路的設(shè)計

耿振華 久元溦 汪瑜 張曉敏 林喆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

恒流驅(qū)動技術(shù)在20 世紀(jì)70年代由國外率先開始研究[1-4]，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，恒流驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)廣泛。例如，發(fā)光二極管（Light Emitting Diod，LED）是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過程中需要使用恒流驅(qū)動技術(shù)對其進行保護，避免器件燒毀[5]。當(dāng)用在航天相機在軌高精度定標(biāo)時，LED 的控制精度和穩(wěn)定性對定標(biāo)品質(zhì)至關(guān)重要。恒流驅(qū)動技術(shù)可以確保LED 的驅(qū)動電流在額定范圍內(nèi)，具有較高的可靠性，同時可以保證各LED 亮度的一致性和穩(wěn)定性，從而有效提高定標(biāo)品質(zhì)[6]。

當(dāng)前，恒流驅(qū)動技術(shù)多以集成恒流驅(qū)動芯片為主，芯片多采用外接高壓三極管的電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)以及基準(zhǔn)電壓源，通過脈沖寬度調(diào)制峰值電流實現(xiàn)恒流驅(qū)動控制[7-9]，或通過內(nèi)置延時電路設(shè)定電感電流的峰峰值，從而獲得恒定的平均電流[10-13]。這些恒流驅(qū)動技術(shù)多應(yīng)用在民用領(lǐng)域，驅(qū)動電流為幾毫安到幾十毫安級，精度在毫安級，且輸出電流為固定值，不可調(diào)節(jié)[14-16]。隨著技術(shù)的發(fā)展，對恒流驅(qū)動技術(shù)的性能指標(biāo)（如精度、最大驅(qū)動電流值、穩(wěn)定性等）要求越來越嚴(yán)格[17]。航天遙感中的可見光在軌定標(biāo)、激光器定標(biāo)等必須采用恒流驅(qū)動，驅(qū)動電流多在1000mA 以上，且精度要求極高。遙感衛(wèi)星在定標(biāo)過程中使用的LED 負(fù)載，除了高精度和最大驅(qū)動電流要求外，還要求驅(qū)動電流可多檔位高分辨率調(diào)節(jié)。因此，本文提出一種高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動電路，最大驅(qū)動輸出電流達(dá)到5A，全量程驅(qū)動電流精度達(dá)到10μA，輸出調(diào)節(jié)分辨率為4096 檔位，以滿足星上定標(biāo)LED 的驅(qū)動需求。

1 技術(shù)方案

恒流驅(qū)動集成芯片弊端為驅(qū)動能力弱，精度低，輸出電流不可調(diào)節(jié)，壽命短，可靠性低，且多數(shù)芯片為商用器件，無法應(yīng)用于在軌定標(biāo)[18-20]。同時，多數(shù)驅(qū)動能力較強的恒流驅(qū)動電路都以功率放大器為核心，弊端為精度低，穩(wěn)定性差，效率低。

應(yīng)用在星上定標(biāo)成像的譜段中心波長為850nm 的LED（后文簡稱850nm LED），額定驅(qū)動電流為1000mA，額定功耗為3.7W，驅(qū)動電流精度要求優(yōu)于35μA，需實現(xiàn)100～1000mA 范圍內(nèi)驅(qū)動電流多檔可調(diào)。由于驅(qū)動電流需要達(dá)到1000mA，所以驅(qū)動能力為100mA 量級的傳統(tǒng)恒流驅(qū)動電路以及恒流驅(qū)動芯片不能滿足要求。本方案選用驅(qū)動能力較強的達(dá)林頓管FHD30E 為功率驅(qū)動管，其最大驅(qū)動電流可達(dá)5A，三極管飽和導(dǎo)通電壓VCE可達(dá)20V。同時，達(dá)林頓管FHD30E 選擇TO-257 型封裝，可以有效提高散熱效率，增強電路可靠性[21]。另外，由于驅(qū)動電流精度要求優(yōu)于35μA，所以精度在毫安量級的傳統(tǒng)恒流驅(qū)動電路以及恒流驅(qū)動芯片不能滿足要求，因此本方案基于比較器的工作原理，選用高增益低噪聲的運算放大器OP470 為恒流驅(qū)動電路的控制器件以提高電流控制精度[22-24]，其開環(huán)增益達(dá)到1000V/mV，噪聲指標(biāo)達(dá)到由于需要在100～1000mA 范圍內(nèi)驅(qū)動電流多檔可調(diào)，所以選用12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC121S101，從而實現(xiàn)4096 檔位的高分辨率調(diào)節(jié)[25]。

如圖1 所示，可調(diào)型恒流驅(qū)動電路由電源轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、上位機和LED 組成。輸入電源經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為+5V 數(shù)字電、±15V 模擬電和LED 所需要的功率電?？刂颇K通過接口芯片完成與上位機間遙控遙測的通訊，即接收電流檔位遙控指令，設(shè)置電流調(diào)節(jié)控制信號，并接收表征LED電流值的反饋信號，實現(xiàn)當(dāng)前恒流驅(qū)動電流值遙測量的上傳。驅(qū)動模塊接收控制信號，經(jīng)DA 轉(zhuǎn)化為電流調(diào)節(jié)信號，通過比較器產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動達(dá)林頓管完成對LED 的恒流驅(qū)動輸出。同時，驅(qū)動模塊采集與LED 串聯(lián)的精密電阻的兩端電壓，信號放大后經(jīng)AD 采樣，作為反饋信號傳回控制模塊，完成閉環(huán)控制。

圖1 輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動電路框圖Fig.1 The block diagram of output adjustable constant current drive circuits

2 模塊設(shè)計

2.1 控制模塊

如圖2 所示，控制模塊由FPGA最小系統(tǒng)構(gòu)成，包括晶振、復(fù)位看門狗、以及通訊電路和整形電路。

圖2 控制模塊組成Fig.2 The block diagram of the control module

上位機通過通訊電路，向FPGA 發(fā)送設(shè)置電流檔位的遙控指令，即電流調(diào)節(jié)信號對應(yīng)的碼值。FPGA 解析該指令，發(fā)送DA 控制信號，經(jīng)過整形電路后作為驅(qū)動模塊輸入信號，完成目標(biāo)電流值的設(shè)置。同時，F(xiàn)PGA 發(fā)送AD 控制信號給驅(qū)動模塊，控制AD 完成采樣電壓的采集，并將驅(qū)動電流遙測量反饋至上位機?？刂颇K中的整形電路可增強信號驅(qū)動能力，濾除信號毛刺。AD 芯片前端增加電壓鉗位二極管，保護AD 芯片，提高電路可靠性和安全性。

2.2 驅(qū)動模塊

如圖3 所示，驅(qū)動模塊由整形電路、DA 轉(zhuǎn)換電路、比較器電路、金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）驅(qū)動電路、放大電路、跟隨電路、AD 轉(zhuǎn)換電路組成。

若LED 的驅(qū)動電流為Iout，精密采樣電阻和LED 串聯(lián)，則其電流值是相同的。若采樣電阻阻值為R，則采樣電阻兩端電壓Vcai=R×Iout。采樣電壓Vcai經(jīng)放大電路k倍放大后，輸入至比較器電路中的運算放大器反向端。

驅(qū)動模塊接收DA 控制信號，輸出電流調(diào)節(jié)信號Vset，并送至比較器電路中的運算放大器同向端。輸出電流調(diào)節(jié)信號Vset與目標(biāo)電流值Iset的關(guān)系為

比較器對電流調(diào)節(jié)信號Vset和k倍放大后的電流采樣信號k×Vcai進行比較，輸出作為驅(qū)動電路中達(dá)林頓管的基極控制信號。根據(jù)比較器的工作原理，當(dāng)LED 的驅(qū)動電流值Iout小于目標(biāo)電流值Iset，則k×Vcai小于Vset，比較器輸出從低變?yōu)楦撸_(dá)林頓管的基極電壓增大，流過其集電極和發(fā)射極之間的電流增大，則驅(qū)動電流Iout增大。反之，當(dāng)LED 的驅(qū)動電流值Iout大于目標(biāo)電流值Iset，即k×Vcai大于Vset，比較器輸出從高變?yōu)榈停_(dá)林頓管的基極電壓減小，流過其集電極和發(fā)射極之間的電流減小，則驅(qū)動電流Iout減小。綜上，比較器同向端電壓Vset和反向端電壓k×Vcai會一直維持相等的狀態(tài)，即

則LED 的驅(qū)動電流Iout和目標(biāo)電流值Iset會保持相等，從而實現(xiàn)恒流驅(qū)動的閉環(huán)控制。

圖3 驅(qū)動模塊組成Fig.3 The lock diagram of the drive module

放大后的采樣電壓k×Vcai通過跟隨電路后傳至AD 輸入端，AD 輸出信號通過整形電路后作為控制模塊的輸入，完成LED 兩端電壓的采集，上位機即可通過該遙測量解算得LED 的實際電流值Iout。

為保證電流調(diào)節(jié)分辨率，這里選用12 位DA，實現(xiàn)4096 檔電流調(diào)節(jié)。選用高增益低噪聲的運算放大器OP470 保證模擬閉環(huán)采樣控制的穩(wěn)定性和精度。驅(qū)動芯片F(xiàn)HD30E 最大驅(qū)動電流達(dá)到5A。驅(qū)動模塊電路如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動模塊電路Fig.4 The circuit diagram of the drive module

3 測試數(shù)據(jù)

測試方案如圖5 所示，在850nm LED 和采樣電阻的串行支路上串入6 位半電流表，實時監(jiān)測驅(qū)動電流Iout。采樣電阻R為0.1Ω，采樣電阻需選用精密電阻，且阻值盡量小，否則電阻分壓過大影響驅(qū)動效率。根據(jù)采樣電阻兩端最大電壓值和AD 芯片的模擬量采集范圍，選定放大倍數(shù)k為44。則輸出電流調(diào)節(jié)信號Vset與目標(biāo)電流值Iset的關(guān)系為

圖5 測試方案Fig.5 The test plan

在850nm LED 的額定驅(qū)動電流范圍內(nèi)進行全量程測試，選取10個目標(biāo)電流值Iset，上位機發(fā)送對應(yīng)的電流檔位遙控指令，監(jiān)測電流表顯示的驅(qū)動電流Iout。共進行了五組測試，實測數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 實測數(shù)據(jù)Tab.1 The measured data

表1 數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動電路可以實現(xiàn)850nm LED 額定范圍內(nèi)的驅(qū)動電流多檔位可調(diào)，且全量程驅(qū)動電流精度優(yōu)于10μA。

4 結(jié)束語

針對星上定標(biāo)LED 的驅(qū)動要求，給出了一種高精度輸出可調(diào)型恒流驅(qū)動電路，解決了高精度恒流驅(qū)動的技術(shù)難點，全量程達(dá)到10μA 控制精度，并且驅(qū)動輸出電流實現(xiàn)4096 檔位調(diào)節(jié)，滿足星上定標(biāo)源負(fù)載高分辨率變換電流檔位的需求。同時，該電路驅(qū)動能力強，最大輸出電流可達(dá)5A，彌補了現(xiàn)階段大多數(shù)恒流驅(qū)動電路精度低、驅(qū)動能力弱、不可調(diào)節(jié)等不足，是一種適合星上定標(biāo)源驅(qū)動控制的理想選擇。