直流电流源的特性分析与电路设计

马 薇，陈立伟，袁 静

（长春工程学院电气与信息工程学院，长春130012）

直流电流源的特性分析与电路设计

马 薇，陈立伟，袁 静

（长春工程学院电气与信息工程学院，长春130012）

对直流电流源的原理与特性进行了详细的叙述，并将电流源与电压源作了对比分析，介绍了几种常用的直流电流源电路，并设计了两种不同类型的直流电流源。

直流电流源；线性；脉宽调制

随着现代电子技术的发展，直流电流源的应用日趋广泛，如在工业自动化、智能化仪器仪表以及其他数字控制方面都需要使用电流源为设备供电。因此，研究和开发恒定电流源具有十分重要的意义。现代电子工艺的高度发展给我们提供了许多小型化、集成化的电压源，但对于专用电流源，特别是工作电流大、精度高的个性化电流源仍需使用者自行设计。

1 直流电流源简述

直流电流源是一种能以恒定电流方式为负载或电路提供电能的装置。作为直流稳定电源的一种，直流电流源同直流稳压电源一样是组成电路的最基本元件之一。作为稳定电源，同稳压电源一样，也有其自身的特性和应用场合。

1．1 电流源的基本概念与特点

直流电流源在电路中是一个二端器件，它能为其所驱动的电路提供恒定电流，而其端钮两端电压却是任意的。

理想的直流电流源是实际电流源抽象出来的一种模型。电流源的内阻相对于负载阻抗来说很大，负载阻抗变化不会改变输出电流大小，在电流源回路中串联电阻不会改变电流源的输出电流，但电流源两端的电压会升高，输出功率变大；减小电流源回路中的负载也不会改变电流源的输出电流，但电流源两端电压会降低，输出功率变小。

理想的直流电流源具有输出电流恒定、等效内阻无穷大、两端电压可取随意值等特点。

1．2 电流源与电压源的类比

电流源是一个理想的电路元件，其输出的电流i（t）为

式中iS（t）为给定时间的函数，称为电流源的激励电流。

从式（1）中可看出电流源的电流i（t）与元件的端电压无关，总保持为给定时间的函数，而电流源的端电压由外电路决定［1］。图1（a）为实际电流源原理图，其内阻R0通常为很大值。

电压源也是一个理想的电路元件，它的端电压u（t）为

式中uS（t）为给定时间的函数，称为电压源的激励电压。

从式（2）中可看出电压源电压u（t）与通过元件的电流无关，总保持为给定时间的函数，而电流的大小则由外电路决定［1］。图1（b）为实际电压源原理图，其内阻R0通常为很小值。

图1 电流源与电压源对比图

2 常见直流电流源电路介绍

2．1 直流电流源电路组成

直流电流源是输出电流保持不变的直流电源，即能够为电路或负载提供恒定直流的部件。从其基本组成的角度而言，直流电流源电路通常是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出所需的恒定直流电流。

2．2 直流电流源的应用领域

直流电流源在工业自动化等领域应用广泛，如为电子束加工机、离子注入机等电子设备提供稳定的直流电源，另外，半导体参数的测量也需采用直流电流源，而且它还是各型各类电池以及法拉电容理想的充电器电路。

2．3 常见直流电流源的分类

一般而言，直流电流源电路可以分为线性和非线性两大类，其中线性调整直流电流源又可分为串联调节和并联调节两种。而非线性直流电流源即开关直流电流源通常可分为脉宽调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）及混合型3种。

2．3．1 线性调整直流电流源的两种基本形式

线性调整直流电流源电路的输出电流与负载无关，通过使用功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压对电流的控制。按取样电阻接入位置的不同，线性调整式直流电流源会有两种不同的电路结构。

首先，在图2（a）所示的电路中，根据运算放大器同向端电压的变化来调节输出电流，其调控过程如下：当负载电阻RL变大时，流过负载的电流IL会有变小的趋势。此时，运算放大器的输出电压UC便会变大，经过调节器调控使Ube增加，从而增大Ib的电流。由于IC＝βIb关系，故IC也会增大，最终使负载电流IL回调到稳定的预设值，从而完成对直流电流源电流的调控。在这里，运放的输出电压即回馈电压UC＝Ube。

其次，在图2（b）所示的电路中，根据运算放大器反向端电压的变化来调节输出电流，其调控过程如下：当负载电阻RL变小时，流过负载的电流IL（即三极管发射级输出电流Ie）会变大，致使采样电阻RS两端的电压US变大。由于采样电阻RS的一端已接地，使得运算放大器反向输入端的电压增大，导致其输出电压UC变小，即三极管基极电压变小，从而使三极管基极和发射极两端的电压Ube变小，Ib也随之变小。由于Ie≈βIb，故Ie会随Ib的减小而变小，从而负载电流IL变小并最终达到稳定的预设值，从而完成电路的恒流调控。在这里运放的输出电压即回馈电压UC＝Ube＋UL＋US。

图2 线性调整直流电流源电路

2．3．2 非线性直流电流源

1）基于PWM的开关直流电流源电路。该电路使用PWM调节器来控制电子开关的导通与关断，控制功率开关的占空比。通过对占空比的调节来改变负载两端的电压，从而使通过负载RL的电流维持稳定。当负载电阻变化时，PWM调节器会检测到一个变化的电压信号，并与之前的基准电压进行比较，使PWM调节器的输出脉冲宽度变化，并进一步使电子开关的占空比发生变化，从而通过BUCK电路来使负载两端的电压随之变化，达到稳定输出电流的目的。电路原理图如图3所示。

图3 基于PWM的直流电流源电路原理图

2）基于PFM的开关直流电流源电路。该电路使用振荡器来控制电子开关导通与关断，控制功率开关的频率。通过对频率的控制来改变负载两端的电压，从而使通过负载RL的电流维持稳定。当负载电阻变化时，PFM控制器会检测到一个变化的电压信号，并与之前的基准电压进行比较，使PFM控制器输出的频率发生变化，进一步使功率开关的频率发生变化，从而通过BUCK电路来使负载两端的电压随之变化，达到稳定输出电流的目的。电路原理图如图4所示。

图4 基于PFM的直流电流源电路原理图

3 直流电流源的设计

3．1 线性调整式直流电流源的设计

通过对上述几种直流电流源电路的分析和比较，我们选择第一种线性调控直流电流源的设计方案，设计一个直流电流源电路。具体过程如下：

3．1．1 设计要求

采用串联调整方式的第一种接法设计一种电流源，其设计要求如下：输出电流IL＝2A；负载RL＝6Ω±0．6Ω；输出电阻R0＝600Ω；稳流系数SI＜1%。

3．1．2 设计过程

1）采用第一种接法，运放输出型；

2）确定取样电阻RS，当I＝2A时，UIS＝1V，功耗PRS＝2W，实际选用RS＝0．5Ω时，PRS＝5W；

3）计算基准电压EB：EB＝RS×IL（由此式计算得出结果为近似）；

4）选择输入电压Ui：ΔUi＝0．1×Ui，ΔRL＝0．1× RL＝0．6Ω，当UCES＝3V时，取Ui＝20V。

5）选择调整管：

UCEmax＝（Ui＋ΔUi）－［UIS＋IL（RL－ΔRL）］＝10．2V，PCmax＝24W。

若选3DD207型三极管，由β＝20，UCES＝3V，可得ICm＝6A，UCEO＝30V，PCmax＝75 W。

但当IC＝2A时，3DD207的β不满足条件。而当选择复合型三极管时，由IC＝2A，β＝20得IB＝ 100mA＝0．1A，因此选复合型三极管，采取两级放大。

6）选择推动管：

由UCEmax＝10．2V，IC＝100mA可得PCmax＝1．02W，当选择3DD207时，由β＝50，UCE＝3V可得UCEO≥30V，ICm＝0．8A，PCmax＝5W；当IC＝100mA时故采用一般运放作为放大器均可满足要求，只要运放能输出2mA以上均可。

7）纹波处理：

即使输入Ui最低时，也要保证输出IL＝2A，UCES≥3V。因此

可得

UiPP≤1．6V。

8）计算放大器增益：

由IC1＝2A，IC2＝0．1A和特性曲线分别可得μT1＝320，μT2＝2 700，所以由

可得

再考虑R0的要求得：

取KOI≥KOI1≥KOI2，可得KOI＝KOI1，实际取KOI＝7，能满足设计要求。

本设计采用LM358运放，双电源15V供电，输出电压±10V，输出电流10mA，开环增益105倍。设计电路图如图5所示。

图5 线性调整式直流电流源实例图

3．2 基于PWM的数控直流电流源设计

由于传统直流电流源的输出电流很难做到在一定范围内输出任意恒定电流值，或者说设计起来非常烦琐，难以达到预期要求。采用单片机作为控制单元，能把检测、显示、预置以及保护等功能集于一体，通过软件编程，灵活实现。图6就是基于此种考虑设计的数控直流电流源电路的框图。

图7中的由三极管Q2、二极管D2以及电感L1共同组成了降压式变换电路。系统工作原理如图8所示：使用键盘对电流值进行预置，控制器把预置的数值送到液晶显示器显示，同时作为电流源的给定值。控制器输出相应的脉冲信号来控制电子开关的开通与关断。当系统处于工作状态时，测量电路采集采样电阻电压值，通过A／D转换电路将测量值作为反馈信息送入控制器，控制器对接收到的数据进行计算求得采样电阻电流值，并与预置电流值进行

图6 数控PWM大功率恒流电源原理框图

图7 数控PWM直流电流源硬件连线图

图8 数控PWM直流电流源编程流程图

比较，由控制器根据比较结果作出相应调控，准确地输出所需的稳定电流，从而构成闭环控制系统。若控制器接收到的采样电阻电压值大于设定数值时，控制器则会输出一个信号将继电器K1断开，达到过压保护的目的。

该系统的优点是可以根据用户的需求，在输出电流允许的范围内，随意设置所需电流值，均可以稳定输出，工作可靠，应用灵活。另外，该装置设有过压保护电路，安全系数高。

4 结语

直流电流源作为电流源的一种，也作为直流稳定电源的一种，在电子负载和各式各类充电电路中有着很广泛的应用，并在电源领域中扮演着重要角色。在实际工作中，应善于根据实际要求，选择不同类型的电流源电路并做有针对性的应用设计，才能凸显设计工作的重要性和实际价值。

［1］邱关源．电路［M］．5版．北京：高等教育出版社，2006．

［2］卢玉宇．大电流电流源实现方法［J］．福建农林大学学报：自然科学版，2008，37（3）：329－333．

［3］郭建宁，冯勇建，陈文芗．几种典型的电流源结构和高精度基准电流源的设计［J］．中国集成电路，2006（12）：28－31．

［4］林灵，陈祖俊．电流源电路的分析［J］．思茅师范高等专科学校学报，2007（3）：49－51．

［5］陈孟元，凌有铸，陈跃东．数控直流电流源的设计［J］．自动化与仪器仪表，2008（6）：27－29．

［6］韩静霖，李国峰，张勇，等．一种电压控制电流源的设计与应用［J］．电子技术应用，2008（10）：66－67．

［7］白泽生．基于AT89C52的数控直流源［J］．仪表技术与传感器，2007（9）：76－78．

［8］薛易．一种精密程控恒流源设计［J］．自动化仪表，2009（4）：63－65．

The Characteristics Analysis of DC Current Source and Circuit Design

MA Wei，etc．
（School of Electrical ＆Information Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

In this thesis，the principle and characteristics of DC current source has been narrated in details，and the current source has been compared with voltage source．Several frequently used DC current source circuits have been introduced and two different kinds of DC current source have been designed．

DC current source；linear；pulse width modulate

TN43

A

1009－8984（2016）02－0029－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．007

2016－06－12

2015年国家级、省级大学生创新创业训练计划项目（201511437019）

马薇（1982－），女（汉），长春，实验师主要研究计算机科学与技术。