压控恒流源电路分析

刘宏岩 徐东明

摘 要：恒定电流源由于具有抗干扰能力强，适合驱动半导体器件等优点，在信号传输与信号测量、半导体光源驱动等方面得到广泛应用。文章介绍了4种恒流源电路，可以满足多方面需求，在实际应用中具有一定的参考价值。

关键词：压控恒流源；霍尔电流传感器；开关恒流源

在日常生活中，在半导体激光器、LED光源、温度测量、模拟信号远距离传输及电池充电等方面经常用到恒流源电路。由于使用电位器即可方便地实现电压调节，而且CPU通过DAC的数模转换器件也可以简单地输出模拟电压信号，因此，压控恒流源可以很方便地实现手动或自动控制，压控恒流源电路也具有广泛的应用价值。

压控恒流源电路从工作状态上分为连续及开关两种，连续状态的恒流源电路的核心是运算放大器及调整管；开关状态恒流源电路的核心是PWM控制器及开关管。工作在连续状态的恒流源电路具有较高的精度，而开关型恒流源电路具有高的效率。

运算放大器由于受到器件制造上限制，输出电流只有数个毫安，在诸如使用温敏电阻Ptl00进行温度测量时够用，在10 mA以上的电流输出时，需要三极管或场效应管辅助才能实现[1]。下面介绍几种恒流源电路。

1 电源正极和三极管集电极恒流源电路

电源正极和三极管集电极作为输出的恒流源电路，是最常使用电路，其基本电路如图1所示。图1中的电容CI为积分电容，可以使输出保持稳定，电阻R1为三极管基极限流电阻，防止在空载时运放输出电流过大而损坏，电阻R2把采样电阻的电流值增加了一个低通滤波环节，也使得电流输出更加稳定，电阻R6作为电流负载，为恒流源提供了一个小电流，在负载是LED光源时，可以防止LED存在暗亮关不断的问题。

图l中的运放工作在跟随状态，即放大倍数为1，如果采样电阻较小，需要运放有一定的放大倍数时，可以增加2个电阻，把运放接成同相放大状态。

图l中的输出电流有公式i=VrNIRs，VIN为运放正输入端的给定电压，Rs为电流采样电阻。值得注意的是实际输出的电流是三极管的集电极电流，而采样电阻采集的是三极管的发射极电流，两者之比值为，β是三极管的电流放大倍数，当需要电流输出精度较高时，可以选用电流放大倍数大的达林顿三极管或N沟道场效应管。

图l中，由于TL431输出的参考电压为2.4 V，采样电阻Rs为1 Q，因此，电路最大可以有2.4 A的电流输出。

图1的恒流源电路具有输出电流大、输出电压高的优点，主要缺点是输出端没有电源地，对于外壳是负极的负载，需要考虑安装绝缘问题。

2 毫安级恒流源电路

由于电流太大会使电阻发热，影响温度测量精度，一般把电流限定在1-2 mA。该电流在运算放大器的输出电流范围内，因此，小电流恒流源电路可以不使用三极管器件，精度可以达到更高。毫安级恒流源电路如图2所示。

图2中运放UI和电阻组成一个同相放大电路，U2输出2.4V左右的基准电压，通过调节电位器VRI，可以使运放的正输入端的电压为2 V，负反馈接法通过运放的输出调节，负输入端也就是电阻R3两端的电压也是2V，2V电压加到阻值为2kQ的电阻R3上，流过R3的电流是1mA，由于运放的输入阻抗很大，基本不取电流，因此，流过温敏电阻Rt的电流也将是lmA。

图2中，如果电阻Rt为Ptl00（0℃时电阻值为100 Q），1 mA的恒流源，0。C时电阻Rt两端的电压为0.1 V，如果经差动放大器放大20倍，Rt两端可以放大达到2V，便于ADC进行信号采集。差动放大器可以采用AD620等高精度仪表放大器。

3大电流恒流源

提高恒流源效率主要采用2种方法：采用霍尔电流传感器代替采样电阻；把电流信号反馈到开关电源管理芯片上的PWM控制器，控制开关管开关的占空比，使开关电压源为开关电流源。

3.1霍尔电流传感器介绍

霍尔电流传感器工作原理是利用线性低漂移霍尔器件，检测通有电流导线周围产生的磁场，把磁场强度转变为电压信号，经过放大及低通滤波输出和电流成正比的电压值翻。

ACS758系列霍尔电流传感器由测量范围为50-200 A的一个系列组成，每个量程又分为单向和双向测量两个种类。当供电电压为5V时，测量双向电流的ACS758，其零电流输出值为2.5v，单向测量的ACS758的零电流输出值为OV。

由于ACS758的原边电阻只有100 μΩ，即使流过200 A的电流，其压降也只有20 mV，因此，具有高的电流测量灵敏度和低功耗。

ACS758系列电流传感器的响应时间为3 μs，带宽为120 kHz，在开关恒流源中作为测量电流的反馈器件时，完全满足一般开关频率（50 kHz）的要求。

3.2開关恒流源

一般的开关电源是把输出电压反馈到电源管理芯片的反馈控制端，从而达到稳定输出电压的目的，如果把输出电流变成电压作为反馈信号反馈到PWM控制器，即可达到稳定电流的目的，也就实现了开关恒流源功能。 开关电源之所以具有较高的效率，是因为主开关K工作在开关状态：当开关K导通时，K上压降很小，消耗功率小；当K断开时，K上虽然有压降但没有电流，消耗功率也小。

开关电源的拓扑结构有降压型（BUCK）、升压型（BOOST）等5种类型，以降压型结构用得最为广泛，其拓扑结构的电路原理如图3所示。

图3的工作原理是当K导通时，二极管D截止，电源通过电感L向电容C及负载R提供电流；当K断开时，电感里面的储能起了电源的作用，其电流通过二极管D和电容电阻构成回路，把储能提供给负载。在开关频率较高时，负载上的压降波动很小。开关K的工作频率一般恒定，当输出减小时，PWM管理芯片会增加导通时间，反之则减小导通时间，从而达到稳定电压（如果反馈值是电压）或电流（如果反馈值是电流）的目的。

开关K-般由三极管或NMOS场效应管或IGBT构成，由于NMOS场效应管具有工作电流大、导通电阻小、控制端不取电流等优点，有取代三级管的趋势。

在采用N沟道场效应管作为开关K时，其最大难度在于其源极电压较高，驱动时，需要更高的栅极电压。近年来，随着基于浮动通道技术的NMOS驱动芯片的出现，使得驱动高端NMOS变得非常简单。如使用IR2104场效应管驱动芯片，可以简单地实现由相同NMOS管组成的半桥电路。

开关电源控制管理芯片常用的有TL494，KA7500，SG3524等，其芯片内部都有完备的基准电压、锯齿波发生器、死区控制等功能，把其反馈控制端和霍尔电流传感器连接起来驱动NMOS，即可构成高效率高输出恒流源电路。

开关式恒流源的优点是效率高、输出电流大，但由于工作在开关状态，因此，存在输出纹波大的缺点。

4结语

上述介绍的3种恒流源电路，每种电流都有优点和不足，使用时可以根据需求选择适合的电路。在把握负反馈原理和了解器件特点基础上，设计出新的恒流源电路也不会很困难。

[参考文献]

[1]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版北京：高等教育出版社，2006

[2]李瀚荪.电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，2006