所謂恒流源,，即對(duì)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(gè)恒定值，具有很高的動(dòng)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(cè)量,。而復(fù)合型精密恒流源是一種由前級(jí)為精密開關(guān)電壓源電路,，后級(jí)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(jiǎn)單,、體積小,、性能好，在精密測(cè)量和電學(xué)計(jì)量(如計(jì)量、半導(dǎo)體性能測(cè)試,、傳感器應(yīng)用,、現(xiàn)代大型儀器中穩(wěn)定磁場(chǎng)的產(chǎn)生等)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文設(shè)計(jì)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(jì)

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(shí)現(xiàn)恒流控制的核心,。RL為電路負(fù)載,，RS為電流調(diào)節(jié)電阻。

當(dāng)RL發(fā)生變化時(shí),，集成穩(wěn)壓器通過(guò)改變自身壓差的形式,，維持通過(guò)負(fù)載的電流恒定。所以通過(guò)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(dòng)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(cè)電路,。線性恒流源主要由IC(三端穩(wěn)壓器)、負(fù)載電阻RL和恒流電阻RS組成,。

2 開關(guān)恒壓源設(shè)計(jì)

2.1 TOP224的工作原理

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(gè)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(dòng)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(zhǔn)電壓源,?？梢蕴峁└鞣N基準(zhǔn)電壓；

(3)振蕩器,。產(chǎn)生鋸齒波SAW,、最大占空比信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)；

(4)并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器,；

(5)脈寬調(diào)制器,。通過(guò)改變控制端電流IC的大小,，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制并能濾掉開關(guān)噪聲電壓,；

(6)門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí),。內(nèi)含耐壓為700V的功率開關(guān)管MOSFET；

(7)過(guò)流保護(hù)電路,。利用MOSFET的漏源通態(tài)電阻來(lái)檢測(cè)過(guò)電流,，當(dāng)漏極電流過(guò)大時(shí)MOSFET關(guān)斷，起到過(guò)流保護(hù)作用,；

(8)過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路,。當(dāng)芯片結(jié)溫t>135℃時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)；

(9)關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路,。當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí),，立即使芯片在低占空比下工作。當(dāng)故障已排除,，就自動(dòng)重新啟動(dòng)電源恢復(fù)工作,；

(10)高壓電流源。提供偏流用,。

2.2 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(cè)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(dòng)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?jiǎn)?dòng)偏置電路,、帶隙基準(zhǔn),、用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)偏置調(diào)整器以及誤差放大器和故障保護(hù)的全部功能，因而采用后可使電路更為簡(jiǎn)潔,，設(shè)計(jì)更為方便,，性能更強(qiáng)。

如圖3所示的開關(guān)恒壓源原理如下：輸出經(jīng)過(guò)TL431反饋并將誤差放大,，TL431的恒流端驅(qū)動(dòng)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(lái)調(diào)整TOP224Y器件的開關(guān)時(shí)間,，從而得到一個(gè)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(jí)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(hù)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(chǎng)效應(yīng)管MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)，VR1和D1能濾除因T的漏感引起的尖峰電壓,，從而保護(hù)TOP224Y中的MOSFET,。

D2起整流作用，C2,、L1,、C3起濾波作用。當(dāng)N2輸出電能時(shí),，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(dāng)輸入極電流線性變化時(shí)，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(fù)載之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運(yùn)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(fù)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(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),，變壓器二次側(cè)的電壓使二極管反偏截止,，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器二次側(cè)的電壓使二極管導(dǎo)通,，向負(fù)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(zhǔn)電壓源)組成,。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，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(zhǔn)參考電位比較后,，使光電耦合器中發(fā)射極電流增加，進(jìn)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(dǎo)致輸出電壓下降,。反之亦然,，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精密穩(wěn)壓。

3 線性恒流源設(shè)計(jì)

線性恒流源電路中的IC為三端浮動(dòng)穩(wěn)壓器LM317,。當(dāng)工作時(shí)LM317建立并保持輸出與調(diào)節(jié)端之間1.25V的標(biāo)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100μA,，在這里忽略，故Iout=1.25/RS,，所以通過(guò)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(fù)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(dāng)RS為固定阻值時(shí),，電路提供一恒定電流Iout。當(dāng)RS為可調(diào)電阻時(shí),，提供某一范圍內(nèi)的恒定電流Iout,。

圖4中，RL為負(fù)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(dòng)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(biāo)，輸出功率12W,，輸出電流0～1A,，可計(jì)算出RS最小電阻為1.25Ω。RS選用WX3型號(hào),，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(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

4.1 開關(guān)恒壓電路測(cè)試

圖5是開關(guān)電源輸出15V時(shí)的電壓波形?？梢钥闯?，輸出電壓波形穩(wěn)定，紋波小,。

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

以上數(shù)據(jù)表明,，當(dāng)輸入電壓發(fā)生改變時(shí)，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。

4.2 線性恒流電路測(cè)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(guò)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(fù)載電阻RL為1～10Ω,，測(cè)負(fù)載電流IL的變化。復(fù)合型精密恒流源的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,。

當(dāng)負(fù)載為10時(shí),，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(dòng)小。

從表2數(shù)據(jù)可看出,。當(dāng)恒流源輸出0～1A恒定電流時(shí),，負(fù)載RL在1～10Ω內(nèi)變化時(shí),，其負(fù)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(xì)設(shè)計(jì)了外圍電路,，并進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果分析,，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路的可行性,。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合型精密恒流源,，在交流輸入電壓160～250V變化時(shí),，可輸出0～1A范圍的恒定電流，輸出電流的波形穩(wěn)定,，波動(dòng)小,，具備線性恒流源的精密性和穩(wěn)定性，完全符合設(shè)計(jì)要求,。