双极性输出大功率压控恒流源设计方案 - 全文

　　摘要：本文介绍了一种双极性输出的大功率压控恒流源的设计方法。该恒流源采用简单的运放系统，经过电压扩展和电流扩展，可提供25V、0~2A的可调恒定电流，既达到了提供大输出电流的目的，而且电路结构简单，成本较低，精度较高。经测试该恒流源有较高的负载稳定度和较低的纹波。

　　0 引言

　　在电子仪器设备中经常要用到压控电流源，并且要求在负载变化时具有很好的稳定性。传统的恒流源制作方法可以是利用二极管、三极管、集成稳压源的特性制作的参数稳流器、串联反馈调整型稳流电源、开关稳流源等等。参数稳流器的输出电流范围小、稳流精度不高； 串联反馈调整型稳流电源的输出电流小，效率较低；开关稳流源不仅电路复杂、元器件数量多，而且输出纹波大、可靠性较差。考虑到以上缺点，本设计采用了普通的运放，配合三极管进行电压扩展和电流扩展，既达到了提供大输出电流的目的，而且电路结构简单，成本较低，精度较高。

　　1 电路设计

　　图1是本设计的原理框图， 由外部的控制电压信号输入到运放构成的恒流模块中。输出的电流经电压扩展模块和电流扩展模块后提供给负载。电流经过采样电阻进行电流采样，获得的采样信号经由电压反馈系统模块反馈到恒流模块中进行恒流。其中由功率模块对电压扩展模块和电流扩展模块进行供电。

　　（1） 功率模块。

　　选择市面上常用的开关电源对电流扩展模块提供功率输出，在其输出端并接电容以消除干扰。由于要求双极性输出，所以选用双极性输出的开关电源可节约成本并减小体积。在实验中，我们使用标称纹波为1%的开关电源。使用78、79系列三端稳压器降压后提供给电压扩展模块以提高运放的输出电压。

　　（2） 运放恒流及电压反馈模块。

　　图2是运放恒流模块及电压反馈模块。由图2可见由电流输出端采集到的经分压处理后的采样反馈信号经由运放组成的跟随器及反向器后，被送到反向加法器U4的反向端与电压控制信号相加得到运放的输出电压V3.V3计算公式为：

　　式中m=1+R22/R23。

　　（3） 电压扩展及电流扩展模块。

　　图3所示是电压扩展模块电路图。由运放构成差动放大器，将恒流系统生成的信号与分压处理后的输出电压进行比较放大，形成最后的输出电压。系统中的三极管选择对管，以达到双极性输出的目的，此系统开环放大倍数仅由R17与R14的比值决定， 但经R25和R24分压反馈后，相当于放大器，其放大倍数由R25与R24的比值决定。

　　图4所示为电流扩展电路。使用简单常用的图腾柱式电流扩展方法，注意功率三极管的选择，并加上散热片，保证功率输出。这样，经过电流扩展后V1计算公式为：

　　式中n=1+R25/R24.

　　图4中的Rs为采样电阻，在电流源电路中，取样电阻的精密程度直接影响电流输出的稳定性。在实验中，我们使用温漂小于5×10-6/℃ 、额定功率为10W的2Ω精密金属膜电阻。分别从采样电阻的两端对电压采样，这样通过采样电阻的电流I为：

　　由以上电路分析式（1）、（2）得：

　　调整R22、R23、R24、R25的电阻值，使m=n=l.实验中选择l=4，则：

　　得出通过采样电阻的电流仅与输入的控制电压有关，则可得知整个电路达到可控恒流的效果。

　　2 实验测量结果

　　实验中我们使用普通电压源作为控制信号的输入， 使用大功率的50Ω可变电阻盘作为模拟负载，经测量，本恒流源的输出电流纹波约为0.8%.其主要影响纹波的原因为控制信号的稳定度，如使用更好精度的数字电压信号则会有更高的输出精度。图5是在电流为1A时本装置的负载电流稳定度曲线， 可发现恒流效果很好。由于使用36V的电源提供功率输出，当负载电阻大于30Ω时电流开始有衰减。

　　3 结论

　　本设计采用简单的运放及三极管恒流电路制作了一种电路简单、有较高负载电流稳定度和较低纹波的恒流原。独特的电压扩展电路和电流扩展电路实现了使用普通运放的大功率输出，克服了普通运放电路输出功率低的弱点。并使用对称结构实现了同一电源的双极性输出。如使用数字控制信号作为电流控制信号则可实现输出电流的数字控制。