一种低功耗高精度电流源设计

郭嘉诚

（中国计量大学，浙江 杭州 310018）

0 引 言

随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。在日益蓬勃的可穿戴式医疗设备相关领域，现代各类电子医疗设备的发展更是离不开安全稳定的电流源，特别是在手持式设备呈现爆炸式增长的今天。因此，低功耗、宽温、高精度电流源，成为时下医用安全电流源的设计目标。结合各类智能手持设备的发展，远程控制也成为现代设备的设计目标。本文将以以上目标进行创新设计，给出了一套完整的设计方案和仿真结果。

1 设计方案

1.1 改进的Howland电路设计

经典Howland结构的优势是只需四个电阻，匹配得到其输出特性可以非常接近理想电流源[1]。它的结构简单可靠，方便调试与集成，缺点主要是全部电流均由运放输出，若需要大电流，则运放选型会受到输出能力的限制，且运放工作电压即为电源可能输出的最高电压，甚至在非轨对轨运放下会有显著的压降。由于输入与输出中间有电阻网络直通，因此输入噪声也会直接传递到输出，影响系统的噪声特性。同时，对于感性负载的冲击电流，并不能提供有效保护，极易造成信号输出端击穿损坏[2]。另外，传统Howland电路对电阻匹配的精度有着较高要求，以获得高输出阻抗。由于输入源阻抗会增加R1的电阻，因此引入的电阻阻值要求很小，以最大程度降低匹配误差。同时，电源电压必须比最大输出电压高得多，且运算放大器的共模抑制比（CMRR）性能必须相对良好[3]。综上所述，本文中将其结构作出改进，结果如图1所示。

图1 结构改进示意图

本文中首次提出改进的Howland电路设计，对电流输出能力有了明显提升。在提出的改进结构中，使用大功率达林顿管扩展运放的输出能力，解决了运放输出能力限制带来的系统设计限制[4]。同时，运放与主功率输出级使用不同的电源，使得系统使用更加灵活方便。对于本文中所面向的感性负载且其等效串联电阻值非常低的情况，适当降低功率级的电源电压会显著降低达林顿管的压力[5]，降低发热，增加可靠性。在信号反馈过程中，增加了采样电阻进行反馈，避免了在经典结构中由于R4电阻需要与其他电阻匹配带来的输出限制，且使用差分反馈信号使得该电路的输入输出对应关系中不再有达林顿管的直流放大倍数——这一严重影响系统输出精度的参数，大大提升了系统的精度和可靠性。

假设运放为理想运放，则有：

若欲使输出电流与负载无关，则必有：

可得到：

可见，理论上输出电流与输入电压是完全线性的关系。

进一步化简表达式，得：

若取k2=k3=k4=1，则输出电流为：

1.2 恒流源模块

电路原理图设计如图2所示。

电路由运放芯片、三极管、保护电容等组成。考虑到噪声抑制，原理图上已经采用多个电容与电阻网络进行滤波和缓冲，可以大幅降低电源串扰。仿真阶段，已经能够明显看出前后的差别，电流噪声有效值降低了20 dB，即10倍以上。在印刷电路板走线时，应特别注意功率走线与模拟信号走线的距离和交叉问题，包括连接正反面的地平面的保护隔离，以及在印刷电路板的最外侧增设一圈抑制外部辐射干扰的保护地环。在之前的不同版本PCB中，保护地环的作用已经非常明显。从输出结果上来看，粗略估算可以将输出噪声电压有效值降低20 dB，即10倍以上。

2 结果与分析

2.1 参数匹配分析

考虑到面对的是实际电路，自然存在着诸多设计限制，特别是对元器件的选择和对系统可靠性的考虑。

电流传感器以Rs为采样基准，分辨率最高要求设为ΔvLmin，使用N位精度ADC进行采样，其中ADC内置增益为GAIN，则得到电流分辨率为：

Rs在技术指标要求下可以选择范围为：

设系统最大输出电流能力为imax，则元器件对这个能力的影响如下：

对于三极管有PBJT=UCEIC+UBEIB与IE=IC+IB。一般地，IB的值非常低，几乎可以忽略不计。电流传感电阻特性有PRs=URsIRs与IRs=IE。纯电阻负载静态特性为UL=ILZL。因此，两个最重要的工作元件功率限 制 为：PBJT≈ (VCC-ImaxRs-ImaxZL)·Imax≤ Pmax(BJT)与PRs=Rs≤Pmax(Rs)。所以，可以得到：

图2 电路原理

设计中，需要每路输出电流最高500 mA，采样电阻Rs的耗散功率为1 W。根据纯电阻功率式（10），再将电流容量保留至500 mA后，最终确定电阻值为1 Ω。本文实际使用时，采用0.22 Ω进行测试。

令：则有：

设：

则有解得

又因为Rs确定为1 Ω，DAC输出电压范围为0～2.5 V，因此的值分别确定为k1=k3=10 kΩ和k2=k4=100 kΩ。解得 k2=k4=10，k3=1，R1～R4

2.2 实验结果

当负载为1 Ω，采样电阻为1.09 Ω时，单路模块测得数据如表1所示。

表1 单路模块测得的数据

图3 单路模块电流输出

Current=272.4*Vout-0.285 3

SSE:6.321

R-square:0.999 9

RMSE:0.536

由上述可知，该情形况下模块的线性输出达到了预期目标。特别是在测量仪器本身具有较高的基础噪声时，依然能够得到非常接近1的R2值，说明模拟系统部分设计较为成功。

当负载为0.22 Ω，采样电阻为0.22 Ω时，单路模块测得数据如表2所示。利用MATLAB软件将测得的数据进行线性拟合，结果如图4所示。此次改进设计不仅将预期设定的300 mA电流大大扩增到近1 A的大电流，同时保持着良好的线性度，关键的模拟电路设计已经超出预期要求。

表2 单路模块的测得数据

图4 单路模块电流输出

Current=679*Vout+5.867

SSE:107

R-square:0.999 9

RMSE:2.67

由实验结果可知，本文所设计的改进Howland电路具有良好的线性输出。

3 结 论

本文设计了一个低功耗宽温高精度程控电流源。该设计以V/I转换电路为核心电路，以改进的Howland结构为主要拓扑，进一步提高了电流源的精度，使绝对误差仿真值达到了纳安级。实验证明，实际电路测量值绝对误差达到微安级，得到的电流源为高精度的压控电流源。

[1] 郑步生，吴 渭.Multisim 2001电路设计及仿真入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2] 诗 白，成 英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] Al-Obaidi A A，Meribout M.A New Enhanced Howland Voltage Controlled Current Source Circuit for EIT Applications[C].Proceedings of the GCC Conference and Exhibition （GCC），2011：327-330.

[4] Stiz R A，Bertemes P，Ramos A，et al.Wide Band Howland Bipolar Current Source Using AGC Amplifier[J].Latin America Transactions，2009，7（5）：514-518.

[5] Pelicia M M，dos Reis Filho C A.Fully Integrated Programmable Howland Current Source for Sensors Excitation[C].Proceedings of the Devices，Circuits and Systems，2002 Proceedings of the Fourth IEEE International Caracas Conference on，2002