干貨｜一文讀懂恒流源電路模塊設計

電子工程世界 2021-09-28 07:30

AI重塑EDA設計流程｜2026芯片研發效率革命，來這里找答案… 2026 Siemens EDA Forum 七大核心環節全景解析

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恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，因此恒流源的應用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的充電器對蓄電池充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流就會相應減少。為了保證恒流充電，必須隨時提高充電器的輸出電壓，但采用恒流源充電后就可以不必調整其輸出電壓，從而使勞動強度降低，生產效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中，例如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩定，測量就越準確。

集成運放構成的線性恒流源

采用集成運放構成的線性恒流源電路構成如圖所示，兩個運放（一片324）構成比較放大環節， BG1、BG2三極管構成調整環節， RL 為負載電阻， RS為取樣電阻， RW為電路提供基準電壓。工作原理：如果由于電源波動使Uin降低，從而使負載電流減小時，則取樣電壓US必然減小，從而使取樣電壓與基準電壓的差值（US- Uref）必然減小。由于UIA為反相放大器，因此其輸出電壓Ub=（R5/R4）×Ua必然升高，從而通過調整環節使US升高恢復到原來的穩定值，保證了US的電壓穩定，從而使電流穩定。當Uin升高時，原理與前類同，電路通過閉環反饋系統使US下降到原來的穩定值，從而使電流恒定。調整RW，則改變Uref，可使電流值在0～4A之間連續可調。

采用開關電源的開關恒流源

采用開關電源的開關恒流源電路構成如圖2.3.2所示。BG1為開關管，BG2為驅動管， RL為負載電阻， RS為取樣電阻， SG35 24為脈寬調制控制器， L1、E2、E3、E4為儲能元件， RW提供基準電壓Uref。圖采用開關電源的開關恒流源工作原理：減小開關器件的導通損耗和開關損耗是提高電路效率的關鍵。為此，器件選擇飽和壓降小、頻率特性好的開關三極管和肖特基續流二極管。

扼流圈L1的磁芯上再繞一個附加線圈，利用電磁反饋降低開關三極管的飽和壓降，并采用合理的結構設計，使電路的分布參數得到有效的控制。當電源電壓降低或負載電阻RL 降低時，則取樣電阻RS 上的電壓也將減少，則SG3524的12、13管腳輸出方波的占空比增大，從而使BG1導通時間變長，使電壓U0回升到原來的穩定值。BG1關斷后，儲能元件L1、E2、E3、E4保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起U0增大時，原理與前類同，電路通過閉環反饋系統使U0下降到原來的穩定值，從而達到穩定負載電流IL 的目的。

采用集成穩壓器構成的開關恒流源

采用集成穩壓器構成的開關恒流源電路構成如圖所示。MC7805為三端固定式集成穩壓器，RL 為負載電阻，RW為可調電阻器。工作原理：固定式集成穩壓器工作在懸浮狀態，在輸出端2和公共端3之間接入一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調節RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為：IL=（ Uout/RW） +Iq式中Iq 為MC7805的靜態電流，小于10m A。當RW較小即輸出電流較大時，可以忽略Iq。當負載電阻RL 變化時，MC7 8 05用改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。

RW 的確定：RW 的值可由RW=Uout/IL 確定。因Uout=5 V，IL=0.5～2A，因此確定的取值范圍為2.5～10Ω。輸出電壓和負載變化范圍的確定：根據設計要求，本例的輸出電壓U0=10V。由于恒流源的輸出電流可調范圍為0.5～2A，因此相應的負載變化范圍為5～20Ω。以上幾種恒流源結構簡單，可靠性高，調整方便，在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電，開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電，集成穩壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。

壓控恒流源電路設計

壓控恒流源電路設計壓控恒流源是系統的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，由于系統對輸出電流大小和精度的要求比較高，所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。采用如下電路：電路原理圖如圖2.4.3所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管Q1、采樣電阻R2、負載電阻RL等組成1、硬件設計。

電路中調整管采用大功率場效應管IRF640。采用場效應管，更易于實現電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數時，滿足：Id=f（Ugs），只要Ugs不變，Id就不變。在此電路中，R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較小），阻值為0.35歐。運放采用OP-07作為電壓跟隨器， UI=Up=Un，場效應管Id=Is（柵極電流相對很小，可忽略不計）所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2，電路輸入電壓UI控制電流Io，即Io不隨RL的變化而變化，從而實現壓控恒流。同時，由設計要求可知：由于輸出電壓變化的范圍U〈=10V，Iomax=2A，可以得出負載電阻RLmax=5歐。

電源電路設計

本系統對電源有較高的要求。設計電源時既要保證電源的高穩定度，也要保證電源能輸出大于2A的電流，故本系統采用三級管1264來擴流而且在使用電源時必須充分考慮電源的效率。電源電路如圖所示，此電源電路采用了LM317和LM337，其輸出電壓是連續可調的，輸出電壓調到為＋15V和－15V來供給硬件電路使用，其中－15V的電源是供運放使用的，不需要擴流；而＋15V的電源的負載電流要求不低于2A，所以采用三級1264來擴流。另外用LM7805產生＋5V的電壓供凌陽SPCE061A單片機使用。

線性恒流源、開關恒流源，可靠性高，調整方便，在科研中已得到了應用。其中線性恒流源適用于蓄電池的恒流放電，開關恒流源適用于蓄電池的恒流充電，集成穩壓器構成的恒流源適用于電阻測量等。SPCE061A單片機作為中央控制器，本系統有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點。本系統最小可步進1mA ，精度也比較高。輸出電流范圍較寬。，硬件部分中采樣電阻的熱穩定性要較好，硬件中的核心模塊為壓控恒流源，其核心元件采用場效應管其性能和穩定性均高于三極管。