恒流源驱动感性负载电路优化设计与试验研究

朱友峰,曹玉强,姜明顺,丁昌鑫,张晓麒

(山东大学控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

0 引言

随着电法勘探在地质探测工作中的大量应用，探测中对直流恒流源的需求越来越多[1-2]。在地质探测中，直流恒流源一般都在大电流状态下工作，在工作时需要非常稳定的输出，才能保证检测结果的准确。一旦出现供电电流波动，采集结果将会引入误差，后续的分析工作将不准确[3]。为了保证直流恒流源的稳定输出，必须确保恒流源的性能稳定、受负载影响小、电路输出不随负载的变化而波动。目前，在实际应用的电法勘探中，直流恒流源在给阻性负载供电时能满足需求，但是在供电输出点较远的情况下，加入较长的电缆后，实际电流达不到设定值[4]。

针对以上问题，对电路的工作原理进行详细的测试与分析，发现加入电感后电路中出现了交流成分。本文对交流成分产生的原因进行研究，并提出一种电感负载补偿电路，使直流恒流源在驱动感性负载时也能达到电流输出要求，有效提升了直流恒流源的性能。

1 系统框架和工作原理

大功率直流恒流源系统框架如图1所示。

图1 直流恒流源系统框架图

系统主要由市电、电流控制模块、信号调理模块、恒流调整模块、可控交直流转换模块和输出模块组成。各模块的功能如下。

①电流控制模块：设定系统工作电流大小，从而调整回路电流。

②信号调理模块：包括瞬态电压抑制单元、滤波单元和电压跟随器。保护电路输入电压值在安全范围内，去除高频噪声信号，并提高电路输入阻抗。

③恒流调整模块：该模块是控制系统的核心部分，利用集成运放和大功率金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor,MOS)管组成电流负反馈单元，利用硬件电路实现高速负反馈，使电流可以迅速达到设定值。

④可控交直流转换模块：将220 V市电转化为0～250 V的可控直流电压，为系统负载供电。

⑤输出模块：提供开路保护，防止因负载断路而导致的电压过高，保证安全。

电流控制模块接收电流控制信号，并输出到信号调理模块，经过滤波与电压跟随单元，到达恒流调整模块。由集成运放和MOS管组成的高速负反馈单元迅速调整，电流达到设定值并由可控交直流转换模块为整个回路供电。输出模块为系统提供输出接口和保护，驱动负载进行工作[5]。

2 恒流电路驱动感性负载原理测试分析

2.1 恒流源电路工作流程

恒流源系统的负反馈电路如图2所示[6-7]。

图2 负反馈电路

运放U4、电阻R9、R12、R14和Q1组成了恒流电路的闭环负反馈单元。电阻R14是10 Ω精密电阻。该电阻的精度直接影响恒流源电路的电流精度[8]。该电路使用OP07集成运放单元。该运放需要满足信号范围宽、用作比较器功能时精度高、能够在双极性电压下工作、具有高开环增益且稳定时间快的特点[9]。大功率MOS-FET的选取需要考虑开启电压和开启速度，并满足漏极电流和最大漏源电压达到电路工作时的最大值。本文设计的MOS-FET采用IRF 654A型号。该型号的漏源电压为250 V，导通电阻为0.14 Ω，漏极电流最大为21 A。开启和关闭时间分别为60 ns、190 ns。

该单元工作时，0～2 V控制信号首先到达U4的3号引脚，此时MOS关闭，U4的2号引脚电压为0，比较器的正相输入端比反相输入端信号高，那么U4输出引脚6的电压接近正极供电电压。由于IRF654A属于N-MOS，当栅极电压大于导通电压(2～4 V)时，MOS管开始导通，源极电压即R14上端电压Ur开始上升。Ur经过反馈回路到达U4的2号引脚，随着MOS管的调整，Ur逐渐大于控制信号电压。当U4的反相输入端电压大于其正相输入电压时，根据比较器的输出特性，此时电压的输出应该接近负极供电电压，导致MOS管的工作状态慢慢截止，这会使得R14上的反馈电压Ur变小，从而形成负反馈，最终电路稳定在设定值[10]。恒流电路的输出值计算方法如式(1)所示：

(1)

2.2 感性负载电流上升电路分析

在实际应用场合中，负载的性质并不一定是纯阻性负载。比如当该恒流源应用于某工程项目中时，从恒流源到负载的距离往往超过几十米甚至上百米，现场应用发现一旦引入电缆，恒流源的输出将偏离设定值。试验时，在回路中串联100 m电缆模拟现场操作环境。测试系统结构如图3所示。

图3 测试系统结构图

在原有电路基础上添加电缆后，再次将电流表串入回路进行读数。为了再现电路引入电缆后的影响，分别在回路中串联100 m、200 m、300 m电缆进行试验，并分别读取电路中的直流电流和交流电流。在试验测试中发现，串联不同大小的电感对电路的影响基本相同。考虑电缆的影响，设置不同电流进行测量读数。

回路直流电流与交流电流对比如图4所示。

图4 回路直流电流与交流电流对比图

从试验数据分析可知，与纯电阻电路相比，加入电感后，电路中出现较大的交流信号。用示波器分别观察加入电感前后的R14两端电压，可得串联电感前后反馈电压变化如图5所示。

图5 串联电感前后反馈电压变化图

通过图5可以看出，在反馈电阻R14两端上，没有接入电感前交流信号很小；在接入电感后，电路中出现了明显的交流信号。在只有阻性负载时，负载两端和MOSFET两端的交流成分非常小。开关电源的输出并没有交流成分，这不是因为开关电源的输出导致的。当接入负载含有电感线圈时，交流成分陡然上升，例如交流的电流测得为48.59 mA ，而直流的电流测得为45.54 mA，此时10 Ω两端的直流电压只有0.455 V。分析可知，这是由于交流成分导致恒流输出达不到实际的需求。

利用示波器测量负载两端和MOS管两端的电压曲线如图6所示。

图6 负载和MOS管两端电压曲线

对比图6可以看出，开关电源两侧输出的电压只有直流成分，没有交流成分，但是负载两端和MOSFET两端都出现了交流成分。

2.3 加入电感产生交流成分的原因

电路加入线圈前用示波器探测R14两端的电压发现，R14上的电压成分中并不是单纯的直流成分。再次检查电路的调整过程，可以发现问题出在集成运算放大器与大功率N-MOS的调节上。根据运放的电压传输特性曲线，在U4的同相端3号脚施加0～2 V电压信号后，6号脚输出正向电压最大值Uom+。Uom+驱动MOS管导通，形成了恒流回路。然后在负反馈的作用下，R14上电压开始上升。运放的输出电压变小，MOS管导通程度降低，R14的电压变小。因此在R14上会产生电压波动，并不断调整达到动态平衡。用示波器将时间轴拉长，可以看到未加电感时R14两端电压曲线如图7所示。

图7 未加电感时R14两端电压曲线

对回路中串联电感的情况与无电感的情况分别进行测量，获得阻性负载与感性负载电路参数如表1所示。根据回路中出现的交流量可以看出，当加入电缆后，回路中会出现较大的交流信号。

表1 阻性负载与感性负载电路参数

电路中一旦加入电感线圈或者较长的电缆，电路的交流信号量迅速上升，与直流量相叠加达到一种新的平衡状态。从电路上看，就会出现电路的直流电流与设定值不符的现象。

3 不同解决方案的效果比较

为了在驱动感性负载时电流能达到设定值，使反馈电路能够正常工作，必须去除电路中的交流信号。利用电容将回路中的交流信号接地，从而使反馈电路中只有直流信号。

3.1 负载并联电容

在负载两端并联电容，使交流信号通过电容。由于负载与MOS管都存在交流信号，故将负载两端并联电容。但是根据现场情况分析，在恒流源为负载供电时，需要测量负载中的电容放电曲线。如果在负载两端并联电容会影响实际的测试结果。由试验可以看出，在回路中并联电容有利于交流信号的滤除，测试效果优于纯电感电路。

3.2 反馈电路并联电容

根据MOS管上源极-漏极信号波形可知，在加入电感后，交流信号增加十分明显，并直接影响了反馈电路中直流电流的调整。源极和精密电阻串联，用示波器检测精密电阻和MOS管之间的电压波形。MOS管漏极电压波形如图8所示。

图8 MOS管漏极电压波形

从图8可以看出，电压出现了稳定的波动。因此可以在MOS的漏极和地之间并联一个电容，从而去除交流信号而不影响直流回路的反馈调节。由于交流信号的频率和幅度随着控制信号的大小而变化，电容选取耐压值足够大的型号进行试验。此处电容选取100 μF/50 V的电解电容。在回路中并联电容后，再次进行测试，测得回路中的交流信号与无电感时一致，电流也能及时准确地达到设定值。并联电容后，MOS管漏极电压波形如图9所示。

图9 并联电容后MOS管漏极电压波形

从图9可以看出，电压的波动明显减小，交流分量被过滤掉。在加入电容后，即使串联大量电缆，恒流源也能够工作在正常状态，电流不会出现较大偏差。电容补偿前后回路电流测试曲线如图10所示。此时，电路可以稳定地输出到设定值，满足正常工作要求。

图10 补偿前后回路电流测试曲线

4 结束语

本文对流源电路在实际应用中出现的电流偏小现象进行试验，发现了该电路在驱动感性负载时会出现电流无法达到设定值的问题。对该试验分析得出，出现恒流源输出在额定功率下无法达到设定值的原因是反馈电路中出现电压波动，影响了电路中电流的调整。对电路中出现的交流信号进行试验测试，并设计试验去除交流信号的影响，提出一种采用并联电容的解决方案。利用补偿电容法进行试验，取得较好的试验效果，解决了驱动感性负载时直流恒流源电流达不到设定值的问题。在恒流源电路的应用中，大部分是小功率驱动。该电路在实际应用中可以实现驱动大功率负载。如果配合相应的接口，该电路可以升级为大电流供电恒流源，将具有较高的实际应用价值。