一種雙極性輸出大功率壓控恒流源設(shè)計(jì)方案

摘要：本文介紹了一種雙極性輸出的大功率壓控恒流源的設(shè)計(jì)方法。該恒流源采用簡單的運(yùn)放系統(tǒng)，經(jīng)過電壓擴(kuò)展和電流擴(kuò)展，可提供25V、0~2A的可調(diào)恒定電流，既達(dá)到了提供大輸出電流的目的，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，精度較高。經(jīng)測試該恒流源有較高的負(fù)載穩(wěn)定度和較低的紋波。

0 引言

在電子儀器設(shè)備中經(jīng)常要用到壓控電流源，并且要求在負(fù)載變化時(shí)具有很好的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的恒流源制作方法可以是利用二極管、三極管、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數(shù)穩(wěn)流器、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源、開關(guān)穩(wěn)流源等等。參數(shù)穩(wěn)流器的輸出電流范圍小、穩(wěn)流精度不高； 串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源的輸出電流小，效率較低；開關(guān)穩(wěn)流源不僅電路復(fù)雜、元器件數(shù)量多，而且輸出紋波大、可靠性較差?？紤]到以上缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了普通的運(yùn)放，配合三極管進(jìn)行電壓擴(kuò)展和電流擴(kuò)展，既達(dá)到了提供大輸出電流的目的，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，精度較高。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1是本設(shè)計(jì)的原理框圖， 由外部的控制電壓信號輸入到運(yùn)放構(gòu)成的恒流模塊中。輸出的電流經(jīng)電壓擴(kuò)展模塊和電流擴(kuò)展模塊后提供給負(fù)載。電流經(jīng)過采樣電阻進(jìn)行電流采樣，獲得的采樣信號經(jīng)由電壓反饋系統(tǒng)模塊反饋到恒流模塊中進(jìn)行恒流。其中由功率模塊對電壓擴(kuò)展模塊和電流擴(kuò)展模塊進(jìn)行供電。

（1） 功率模塊。

選擇市面上常用的開關(guān)電源對電流擴(kuò)展模塊提供功率輸出，在其輸出端并接電容以消除干擾。由于要求雙極性輸出，所以選用雙極性輸出的開關(guān)電源可節(jié)約成本并減小體積。在實(shí)驗(yàn)中，我們使用標(biāo)稱紋波為1%的開關(guān)電源。使用78、79系列三端穩(wěn)壓器降壓后提供給電壓擴(kuò)展模塊以提高運(yùn)放的輸出電壓。

（2） 運(yùn)放恒流及電壓反饋模塊。

圖2是運(yùn)放恒流模塊及電壓反饋模塊。由圖2可見由電流輸出端采集到的經(jīng)分壓處理后的采樣反饋信號經(jīng)由運(yùn)放組成的跟隨器及反向器后，被送到反向加法器U4的反向端與電壓控制信號相加得到運(yùn)放的輸出電壓V3.V3計(jì)算公式為：

式中m=1+R22/R23。

（3） 電壓擴(kuò)展及電流擴(kuò)展模塊。

圖3所示是電壓擴(kuò)展模塊電路圖。由運(yùn)放構(gòu)成差動(dòng)放大器，將恒流系統(tǒng)生成的信號與分壓處理后的輸出電壓進(jìn)行比較放大，形成最后的輸出電壓。系統(tǒng)中的三極管選擇對管，以達(dá)到雙極性輸出的目的，此系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)僅由R17與R14的比值決定， 但經(jīng)R25和R24分壓反饋后，相當(dāng)于放大器，其放大倍數(shù)由R25與R24的比值決定。

圖4所示為電流擴(kuò)展電路。使用簡單常用的圖騰柱式電流擴(kuò)展方法，注意功率三極管的選擇，并加上散熱片，保證功率輸出。這樣，經(jīng)過電流擴(kuò)展后V1計(jì)算公式為：

式中n=1+R25/R24.

圖4中的Rs為采樣電阻，在電流源電路中，取樣電阻的精密程度直接影響電流輸出的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中，我們使用溫漂小于5×10-6/℃ 、額定功率為10W的2Ω精密金屬膜電阻。分別從采樣電阻的兩端對電壓采樣，這樣通過采樣電阻的電流I為：

由以上電路分析式（1）、（2）得：

調(diào)整R22、R23、R24、R25的電阻值，使m=n=l.實(shí)驗(yàn)中選擇l=4,則：

得出通過采樣電阻的電流僅與輸入的控制電壓有關(guān)，則可得知整個(gè)電路達(dá)到可控恒流的效果。

2 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中我們使用普通電壓源作為控制信號的輸入， 使用大功率的50Ω可變電阻盤作為模擬負(fù)載，經(jīng)測量，本恒流源的輸出電流紋波約為0.8%.其主要影響紋波的原因?yàn)榭刂菩盘柕姆€(wěn)定度，如使用更好精度的數(shù)字電壓信號則會(huì)有更高的輸出精度。圖5是在電流為1A時(shí)本裝置的負(fù)載電流穩(wěn)定度曲線， 可發(fā)現(xiàn)恒流效果很好。由于使用36V的電源提供功率輸出，當(dāng)負(fù)載電阻大于30Ω時(shí)電流開始有衰減。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用簡單的運(yùn)放及三極管恒流電路制作了一種電路簡單、有較高負(fù)載電流穩(wěn)定度和較低紋波的恒流原。獨(dú)特的電壓擴(kuò)展電路和電流擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)了使用普通運(yùn)放的大功率輸出，克服了普通運(yùn)放電路輸出功率低的弱點(diǎn)。并使用對稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了同一電源的雙極性輸出。如使用數(shù)字控制信號作為電流控制信號則可實(shí)現(xiàn)輸出電流的數(shù)字控制。