基于TOP224Y復(fù)合型精密恒流源的設(shè)計

摘要：文章設(shè)計了一種由前級為精密開關(guān)恒壓源電路、后級為三端浮動穩(wěn)壓器構(gòu)成線性恒流源的復(fù)合型精密恒流源，給出了開關(guān)型恒壓源與線性恒流源的設(shè)計原理與器件參數(shù)的選擇。該復(fù)合型精密恒流源具有開關(guān)電源低功耗、電源輸入范圍寬的優(yōu)良特性，也具備線性恒流源的精密性和穩(wěn)定性；電路簡單、體積小、紋波系數(shù)小，故在精密測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：恒流源；復(fù)合型；浮動穩(wěn)壓器

0 引言
    所謂恒流源，即對應(yīng)于一定的電壓變化所產(chǎn)生的電流變化趨于零，電流是一個恒定值，具有很高的動態(tài)輸出電阻。
    目前廣泛采用的恒流源有兩種形式：一種是開關(guān)型恒流源、一種是線性恒流源。但滿足高精度的要求只有線性恒流源。線性恒流源雖然電源效率低，但紋波系數(shù)小、穩(wěn)定性好、精密度高：開關(guān)型恒流源雖然效率高，但紋波系數(shù)較大，不適合用于精密測量。而復(fù)合型精密恒流源是一種由前級為精密開關(guān)電壓源電路，后級由集成線性穩(wěn)壓器構(gòu)成恒流源電路而構(gòu)成的恒流源系統(tǒng)。
    復(fù)合型精密恒流源因其電路簡單、體積小、性能好，在精密測量和電學計量(如計量、半導體性能測試、傳感器應(yīng)用、現(xiàn)代大型儀器中穩(wěn)定磁場的產(chǎn)生等)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
    本文設(shè)計的復(fù)合型精密恒流源，額定交流輸入電壓為160～250V，頻率50Hz，經(jīng)恒壓源、恒流源后輸出0～1A穩(wěn)定的可調(diào)電流。

1 復(fù)合型精密恒流源基本結(jié)構(gòu)與總體設(shè)計
    復(fù)合型精密恒流源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由交流輸入電路、整流濾波電路、開關(guān)恒壓源和線性恒流源組成。其中開關(guān)恒壓源和線性恒流源是實現(xiàn)恒流控制的核心。RL為電路負載，RS為電流調(diào)節(jié)電阻。

    當RL發(fā)生變化時，集成穩(wěn)壓器通過改變自身壓差的形式，維持通過負載的電流恒定。所以通過設(shè)定恒流電阻RS的值，就可以得到所需的恒流電流。
    恒壓源包括了TOP224Y器件組成的PWM驅(qū)動反激式變換電路、高頻隔離變壓器和整流濾波電路、輸出電壓檢測電路。線性恒流源主要由IC(三端穩(wěn)壓器)、負載電阻RL和恒流電阻RS組成。

2 開關(guān)恒壓源設(shè)計
2．1 TOP224的工作原理

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    TOP224Y是主電路的核心控制器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括以下幾個部分：
    (1)控制電壓源。由控制電壓Uc向并聯(lián)調(diào)整器和門極驅(qū)動提供偏壓，而控制端電流TC則能調(diào)節(jié)占空比；
    (2)帶隙基準電壓源。可以提供各種基準電壓；
    (3)振蕩器。產(chǎn)生鋸齒波SAW、最大占空比信號和時鐘信號；
    (4)并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；
    (5)脈寬調(diào)制器。通過改變控制端電流IC的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓；
    (6)門驅(qū)動級和輸出級。內(nèi)含耐壓為700V的功率開關(guān)管MOSFET；
    (7)過流保護電路。利用MOSFET的漏源通態(tài)電阻來檢測過電流，當漏極電流過大時MOSFET關(guān)斷，起到過流保護作用；
    (8)過熱保護及上電復(fù)位電路。當芯片結(jié)溫t>135℃時關(guān)斷輸出級；
    (9)關(guān)斷／自動重啟動電路。當調(diào)節(jié)失控時，立即使芯片在低占空比下工作。當故障已排除，就自動重新啟動電源恢復(fù)工作；
    (10)高壓電流源。提供偏流用。
2．1 開關(guān)恒壓源的工作原理
    開關(guān)恒壓源電路主要由TOP224Y器件及其外圍器件、高頻隔離變壓器和整流濾波電路、輸出電壓檢測電路組成。其電路圖如圖3所示。由于TOP224Y器件集成了通態(tài)可控柵極驅(qū)動電路的高壓N溝道功率MOSFET管、電壓型PWM控制器、100kHz高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、帶隙基準、用于環(huán)路補償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及誤差放大器和故障保護的全部功能，因而采用后可使電路更為簡潔，設(shè)計更為方便，性能更強。

    如圖3所示的開關(guān)恒壓源原理如下：輸出經(jīng)過TL431反饋并將誤差放大，TL431的恒流端驅(qū)動光電耦合器U的發(fā)光部分，而處在電源高壓這邊的光耦感光部分得到的反饋電流，用來調(diào)整TOP224Y器件的開關(guān)時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。
    TOP224Y與高頻隔離變壓器、外部誤差放大器都是開關(guān)恒壓源的重要組成部分。
    圖3中C1起濾波作用，整流濾波后提供的直流電壓加到T的初級繞阻N1的上端。
    TVS1為P6KE200瞬態(tài)吸收二極管，D1為UF4005超快恢復(fù)二極管，TVS1和D1起保護TOP224Y中的MOSFET的作用。N1下端由TOP224Y的漏極D內(nèi)的功率開關(guān)場效應(yīng)管MOSFET來驅(qū)動，VR1和D1能濾除因T的漏感引起的尖峰電壓，從而保護TOP224Y中的MOSFET。
    D2起整流作用，C2、L1、C3起濾波作用。當N2輸出電能時，N2上的高頻電壓經(jīng)D2整流，再經(jīng)C2、L1、C3濾波后，獲得所設(shè)定的額定直流輸出電壓Vo。
    D3起整流作用，C4起濾波作用。T的N3上的高頻電壓經(jīng)D3整流和C4濾波后，給反饋電路中光耦PC817的光敏三極管集電極供電。
    R4、R5有分壓器的功能。其作用是采樣輸出電壓。
    U為線性光電耦合器PC817，當輸入極電流線性變化時，輸出光敏三極管電流線性變化，可連續(xù)反映電壓的變化。
    高頻變壓器能使變換器的輸入電源與負載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性；選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓與負載所需的輸出電壓Uo，能使直流變換器的占空比D數(shù)值適中，而不至于接近于零或接近于1。其中輸出電路由高頻變壓器的二次側(cè)、二極管和濾波電容組成，當開關(guān)管導通時，變壓器二次側(cè)的電壓使二極管反偏截止，當開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器二次側(cè)的電壓使二極管導通，向負載供電。為得到穩(wěn)定的電壓，采用輸出濾波電路，濾除高頻輸出電路的紋波。
    外部誤差放大器由光電耦合器和可調(diào)式精密三端穩(wěn)壓器TL431(具有電流輸出能力的可調(diào)基準電壓源)組成。當輸出電壓升高時，由電阻組成的分壓器的采樣電位也隨之升高，經(jīng)與TL431內(nèi)部的基準參考電位比較后，使光電耦合器中發(fā)射極電流增加，進入TOP224Y控制端C，使內(nèi)部PWM控制器占空比下降，控制內(nèi)部MOSFET占空比下降，導致輸出電壓下降。反之亦然，從而實現(xiàn)自動精密穩(wěn)壓。
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3 線性恒流源設(shè)計
    線性恒流源電路中的IC為三端浮動穩(wěn)壓器LM317。當工作時LM317建立并保持輸出與調(diào)節(jié)端之間1．25V的標稱參考電壓(Vref)，這一參考電壓由RS轉(zhuǎn)換成設(shè)定電流，該電流經(jīng)RL到地，輸出電流由下式給出：
   
    IAdj的電流小于100 μA，在這里忽略，故Iout=1．25／RS，所以通過設(shè)定恒流電阻RS的值，就可以得到所需的恒流電流。
    在恒定輸入電壓15V的條件下，能很好地保證輸出線性恒定的電流。
    線性恒流源主要由三端可調(diào)式穩(wěn)壓器、負載電阻RL和電流調(diào)節(jié)電RS組成。其電路圖如圖4所示。

    在輸入電壓恒定的條件下，當RS為固定阻值時，電路提供一恒定電流Iout。當RS為可調(diào)電阻時，提供某一范圍內(nèi)的恒定電流Iout。
    圖4中，RL為負載電阻，RS為電流調(diào)節(jié)電阻，C為濾波電容。LM317為三端浮動穩(wěn)壓器，其輸入恒定電壓15V，能很好地保證恒流源輸出線性恒定電流。
    根據(jù)本文技術(shù)指標，輸出功率12W，輸出電流0～1A，可計算出RS最小電阻為1．25Ω。RS選用WX3型號，其為額定功率3W、阻值范圍為1．25Ω～10kΩ的線繞多圈電位器。C起濾波作用，取100μF／50V。

4 實驗測試及分析
4．1 開關(guān)恒壓電路測試
    圖5是開關(guān)電源輸出15V時的電壓波形?？梢钥闯觯敵鲭妷翰ㄐ畏€(wěn)定，紋波小。

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    交流輸入在160～250V之間時，穩(wěn)壓源輸出直流電壓為15V。對復(fù)合型精密恒流源的開關(guān)恒壓電路的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

    以上數(shù)據(jù)表明，當輸入電壓發(fā)生改變時，開關(guān)恒壓電路輸出電壓變化小，精度在1％，輸出15V電壓穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]
4．2 線性恒流電路測試
    經(jīng)三端穩(wěn)壓器輸出12V恒定電壓，輸出電流范圍為0～1A。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RS使恒流源分別輸出0．1A、0．4A、0．6A、0．8A、1．0A的電流，取負載電阻RL為1～10Ω，測負載電流IL的變化。復(fù)合型精密恒流源的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

    當負載為10時，恒流波形輸出如圖6和圖7所示。

    由圖6和圖7可知，恒流輸出的波形平穩(wěn)，波動小。
    從表2數(shù)據(jù)可看出。當恒流源輸出0～1A恒定電流時，負載RL在1～10Ω內(nèi)變化時，其負載電流基本不變。

5 結(jié)論
    本文采用TOP224Y研制了復(fù)合精密恒流源，詳細設(shè)計了外圍電路，并進行了參數(shù)計算，通過實測結(jié)果分析，驗證了設(shè)計電路的可行性。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的復(fù)合型精密恒流源，在交流輸入電壓160～250V變化時，可輸出0～1A范圍的恒定電流，輸出電流的波形穩(wěn)定，波動小，具備線性恒流源的精密性和穩(wěn)定性，完全符合設(shè)計要求。