采用TPS40170的高精度恒流源设计

许国忠 ，张岳荣 ，饶连周 ，陈俊玮

（1．装备智能控制福建省高校重点实验室，福建 三明，365004；2．三明学院 机电工程学院，福建 三明，365004；3．福建电视大学 三明分校，福建 三明，365004）

随着电子技术的快速发展,恒流源在实际工程中有广泛的用途，是蓄电池充电、LED驱动、电镀、传感器设计、激光器驱动等领域常用的供电方式[1-2]。目前恒流源的设计方案多采用D/A+运放+功率管的形式或者使用分立元件组成的开关电源形式，这两种形式的恒流源均存在着一些的缺点。文献[3]提出了一种基于电压可调开关型集成稳压芯片的恒流源方案，虽能降低成本和提高精度，但也有输出电流偏小和效率不高的问题。为了解决这些问题，本文提出了一种利用稳压源改成高精度恒流源的方案，选择同步PWM降压控制芯片和导通电阻极低的MOS管替代整流二极管进行同步整流，降低了损耗[4-6]，提高效率，取得了良好的效果。

1 高精度恒流源的电路设计

高精度恒流源电路原理图见图1。本设计高精度恒流源主要由具有宽输入同步PWM降压高精度恒流源的硬件结构主要由核心器件TPS40170、场效应管IPP075N15N3G和OPA2365组成。TPS40170产生两路PWM波,通过U1引脚17(HDRV)、引脚14(LDRV)分别控制两个NMOS管Q1和Q2,利用U1自适应死区时间来确保Q1和Q2不同时导通，构成同步降压BUCK拓扑,并经过LC电路实现恒流输出。恒流源电路通过输入电压前反馈补偿实施电压模式控制，可在输入电压变化时立即做出响应[7]，并利用低失真、高共模抑制比、单电源运算放大器搭建同向比例电路作为反馈电路，提高了恒流源的精度。

图1 高精度恒流源设计原理图

2 高精度恒流源的电路设计

TPS40170是采用同步PWM降压控制器，具有宽输入电压的降压型开关电源芯片。控制原理带有电压前馈的电压模式控制。芯片开关频率可设定在100～600 kHz范围。芯片具有自适应死区控制，控制输出两路PWM驱动外部高边和低边NMOS开关管；高电压偏置稳压器采用外部偏置电源继续提高效率；且具通过感测低侧 FET实现的可编程过流保护 (OCP)、通过感测高侧 FET实现的可选短路保护 (SCP)以及热关断功能。启用引脚可在低电流（典型值 1 μA）模式下实现系统关断,并支持闭环软启动、输出电压跟踪以及自适应死区时间控制等[7]。高精度恒流源主要元件参数的设计（图1），采用宽输入电压UIN=35～55 V，额定输入电压UI=45 V，额定输出电流IO=3 A，额定输出电压UO=40 V，最大输出功率PO=120 W，满载效率高达96%，最大输入功率为125 W。选取TPS40170的工作频率fsw=100 kHz。

2.1 输入电容和输入分压电阻

根据输入纹波电流额定值和最小纹波电压选择输入电容。根据TPS40170数据手册可得，选择输入纹波电流额定值的合适近似值是IRMS=IO/2=3A/2=1.5A，输入纹波电压是输入最小电压。利用公式(1)，可得最小输入电容：

所以在本设计中， CIN采用 4 个电容 C1=47 μF， C2=33 μF， C3=1 μF， C4=10 μF 并联，可减少输入电容等效电阻，降低电容的损耗，提高效率。

TPS40170启动电压与迟滞电压由分压器R7、R8的分压值来设置。利用电容C5与R7并联，有助于提高电阻分压的稳定性和降低注入到UVLO引脚的开关噪声。在高精度恒流源设计中，电容取值为C5=10 nF，UVLO引脚可编程电压VUVLO=0.9 V，迟滞电流IUVLO=5 μA[7]，启动电压设置为VON=30 V（低于最小输入电压5 V），关闭电压设置为VOFF=29 V。利用公式(1)、(2)计算可得分压电阻R7、R8的值。

2.2 输入电容和输入分压电阻

为了满足输出电流IO=3 A，最大输出功率120 W，需要对输出环路的参数进行设计。在BUCK电路中，电感L具有储能和吸收纹波的作用，当输入电压最大时(即UIN（max)=55 V)，电感纹波电流最大[7]。 对于硬件参数要求，电感电流不能够突变，所以选择的纹波电流为满载输出电流IO的30%。由公式(4)计算，可得电感L1的值。

输出电容器为负载提供可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源[7]。选择，通过公式(5)计算可得输出电容。

实际应用时， 可以采用 4 个电容 C17=220 μF，C18=4.7 μF，C15=10 μF，C16=33 μF 并联来减小输出电压的纹波。

2.3 输入电容和输入分压电阻

MOS管Q1和Q2采用英飞凌公司的MOS管IPP075N15N3G,具有输入阻抗小,内阻低,耐压高,控制电流大优点。VDS=150 V，RDS(ON)MAX=7.2 mΩ，ID=100 A。

芯片TPS40170典型电路频率工作在fsw=100～600 kHz,工作频率越高，电感纹波小,但损耗也随之升高[7]。本设计选取较为合理的工作频率,取fsw=100 kHz。利用公式(6),计算可得定时电阻R12的值。在实际的应用中,取R12=91 kΩ。

根据TPS40170芯片手册提示,ENABLE引脚电压必须大于VEN=0.6V芯片才能处于工作状态,否则芯片处于待机状态。利用R9与R10进行分压来满足ENABLE引脚的电压，取R9=100 kΩ,R10=10 kΩ。TPS40170带有一个二级过流保护，第一级过流保护 （OCP）是正常过载设置，是对低边MOSFET管Q2的电压检测来实现过流保护（OCP)。第二级保护是重载设置，是对高边MOSFET管Q1的电压检测来实现短路保护（SCP）[7]。根据电路纹波电流，最大输出电流IO(max)应大于额定输出电流的20%至50%[3]。在此选择了I0=3 A的130%，IILIM=9.0 μA，考虑线电阻取RDS(on)=100 mΩ。通过公式（7），计算可得限流电阻值R22的值。

2.4 输出反馈电阻与补偿网络电阻电容

利用OPA2365运放搭建同相放大电路对输出的电流IO进行采样放大后，输出到芯片U1的反馈引脚FB，进而控制恒流的输出。采样电阻R26采用2512封装的精密采样电阻来进行采样，为降低损耗，采样电阻的取值为R26=0.05 Ω。通过R26两端的电压，经放大后必须达到芯片反馈引脚FB内部的参考电压值VREF=0.6 V，所以当取R20=1 kΩ时，运放U2A的反馈电阻R17取值就可以通过公式（8）计算得到 R17=3 kΩ。

由芯片手册可知，补偿网络R15的取值应在10～50 kΩ之间，这样可以平衡反馈电流和减小噪声。在此R15选取为R15=39 kΩ，VFB=0.6 V，通过公式 （9），计算可得补偿网络R14的值。实际取值R14=620 Ω。

补偿网络R11、R16、C8、C10、C11是用来设置反馈网络的带宽和相位裕度，增强网络的稳定性和减小电路的噪声。一般选择1/10的开关频率作为带宽和50°的相位裕度，再利用芯片U1环路稳定性工具[7]， 就可以计算得出， R11=3.9 kΩ、R16=510 Ω、C8=8200 pF、C10=220 pF、C11=1500 pF。

3 高精度恒流源的电路设计

测试设备采用高精度稳压电源、五位半数字万用表、电子直流负载仪和数字示波器。固定输入电压为45 V，调整负载，使输出电压在1～40 V之间，输出电流3 A，测试5组数据，并计算出效率和负载调整率，具体数据见表1。由此可见，在恒流源满载的情况下，效率可达η=95.8%，恒流源的电流负载调整率Si＜0.1%。

固定负载电阻值为10 Ω，调整输入电压，使其在35～55V之间变化，测得5组数据，并计算出输入电压调整率Sv，具体数据见表2。由此可见，输入电压调整率Sv＜0.2%。

表1 恒流源的负载电阻值、输出电流、效率和负载调整率

表2 恒流源的输入电压、输出电流和电压调整率

4 结论

论文阐述了利用稳压源改成高精度恒流源的方案，选择TI公司TPS40170芯片、OPP075N15N3G场效应管和OPA2365为核心器件，设计制作了一款高精度恒流源。样机测表明：在输入电压Vi=35～55 V的范围内，输出电压UO=40 V，输出电流IO=3 A，转换效率为η=95.8%，且负载调整率Si＜0.1%，输入电压调整率SV＜0.2%,是一款高稳定度、高精度、高效率的恒流源，可以应用在医疗设备、高端电子设备等行业，具有较好的应用价值和应用前景。