一种基于自举电路的可调恒压恒流源设计

陈盼辉,郭立峰,金传喜

（1.海军工程大学核能科学与工程系，武汉,430033）

一种基于自举电路的可调恒压恒流源设计

陈盼辉1,郭立峰1,金传喜1

（1.海军工程大学核能科学与工程系，武汉,430033）

介绍了一种基于自举电路的可调恒压恒流源的设计。解决了使用普通运算放大器调整较高输出电压的问题。在输出电压在较大范围变化时，通过自举的方法保证运算放大器的供电电压不变，并且能够对输出电压和电流进行有效地调整，实现了0~30V的电压输出和0~1A的电流输出

自举；运算放大器；恒压恒流源

直流稳压电源是实验室调试电路所不可缺少的仪器。在高精度电路调试中，通常使用线性稳压电源，避免使用开关电源而引入开关噪声。为了增强电源的实用性和可靠性，电源的输出电压可以根据需要进行调整，并且提供过流保护功能，从而避免在输出短路的情况下烧毁内部电路。

可调恒压恒流源，是一种能够同时对输出电压和输出最大限制电流进行调整的直流稳压电源。相比普通的稳压电源，能够根据需要限制输出电流，可以在意外情况下减小对外部电路的损坏，而且能够通过提高输出电压的情况下调整输出电流，实现恒流输出。

为了提高输出电压和输出电流的调整精度，通常采用运算放大器进行误差放大，而普通运算放大器正常工作时的电源供电电压在36V以下，所以采用普通运算放大器难以实现较高的电压输出。本文采用自举电路，实现了输出电压在较大范围变化时，保证运算放大器的供电电压不变，并且能够对输出电压和电流进行有效地调整，实现了0~30V的电压输出和最大1A的电流输出。

1　原理分析

1.1可调恒流恒压源原理

可调恒压恒流源主要有两种工作模式，恒压模式和恒流模式。在输出负载比较小，输出电流未达到设定的最大限制电流时，电路工作在恒压模式，输出电压和设定的电压相同，并且在负载变化时，维持输出电压的相对稳定。在输出负载较大，输出电流达到或者超过设定的最大电流时，电路工作在恒流模式，电压将会下降以维持输出电流的相对稳定。当输出电压设置为，输出电流设置为，其负载特性如图1所示。

图1　恒压恒流源负载特性

1.2自举电路原理

图2　自举电路原理

如果运算放大器的工作电源电压必须小于18V，而需要用它来控制30V的电压输出。对于采用运算放大器控制三极管的电源电路，要求运算放大器的输出大于30V的条件下，才能得到30V的输出。如果采用运算放大器和主回路共用同一组电源，势必会造成运算放大器的电源电压过高而烧毁。

本文所采用的自举电路能够消除这样一个矛盾。如图2所示，首先将运算放大器的电源和主回路的电源相互隔离，分别经过整流后按照图2所示的方式进行连接，输出电压就会对运算放大器的电源产生自举的效果。运算放大器的供电电压满足以下关系

根据以上结果，运算放大器的正负供电电压分别大于和小于输出电压，使得运算放大器能够对输出进行有效地调整，同时运算放大器的正负电源之差将稳定地保持15V不变。

2　电路设计

图3　电路总体框图

图4　使用自举方法的恒压源电路

2.1总体设计

本电路由整流电源、基准源电路、电压取样电路、误差放大电路和电流放大电路组成。整流电源将220V的交流电变压和整流滤波后得到两组直流电压分别为运算放大器的工作提供电源和为主输出回路提供电源。基准源电路作为电路的调整参照，它的稳定性决定了输出电压的稳定性。电压取样电路和电流取样电路将输出电压和电流经过适当的转换后形成误差电压。误差放大电路将误差电压放大，控制电流放大电路对输出电压进行调整。调整电路在误差放大电路的控制下进行电流放大，其输出电压由控制电路决定。电路框图如图3所示。

1.2电压调整电路设计

如图4所示，当输出电流没有达到限制时，算放大器U1:B将输出高电压，从而不能对三极管进行调整。以输出电压的地为参考零点点位，运算放大器U1:A的同相输入端和反相输入端的电位和分别计算如下

1.3电流调整电路设计

如图4所示，当电路有电流输出时，会在电阻R2两端形成电压差。如果以输出的地为参考，设输出电流为Io。则算放大器U1:B的同向端和反相端的电压分别计算如下

2　测试数据及其分析

2.1负载特性测试

将输出最大限制电流调整到1A，输出电压分别调整到10V、20V和30V，外接负载从100欧姆变化到0欧姆时，记录负载两端的电压以及电流的变化情况。数据记录如下

2.2数据分析

根据记录的实验数据，做出负载特性曲线，如图5所示。通过分析，本电路可以较好地实现恒流恒压源的功能。能够实现0~30V电压和0~1A的电流调整输出。

3　结论

经过实际的电路验证，本电路在输出为0~30V，输出电流为0~1A的情况下，均能稳定工作。使用自举方法能够很好地将低电压供电的运算放大器应用在恒压恒流源电路中，简化了电路设计。

[1]岗村迪夫．OP放大电路设计[M]．王玲 徐雅珍 李武平译．北京：科学出版社,2004．

[2]铃木雅臣．晶体管电路设计（上）[M]．周南生译．北京：科学出版社,2004．

Design of an adjustable constant voltage and current source based on the bootstrap circuit

Chen Panhui1,Guo Lifeng1,Jin Chuanxi1
(1.Naval Univ. of Engineering,WuHan,430033,China)

Introduced a method of using the bootstrap to design an adjustable constant voltage and current source.Solved the problem of using the ordinary op-amp in high output voltage adjustment.Using the bootstrap method can ensure constant supply voltage of operational amplifier when the output voltage changes in a wide range, and output voltage and current can be effectively adjusted to achieve a 0 ~ 30V voltage output and 0 ~ 1A Current output.

bootstrap;Op amplifier;constant voltage and current

图5　恒压恒流源负载特性曲线