高效率可多路均流的恒流源电路设计

张 波，汪义旺，宋 佳，吴 杰

(苏州市职业大学 智慧能源装备与电能变换协同创新中心，江苏 苏州 215104)

恒流源应用的领域非常广泛，如光强度标准灯、电子真空管、半导体器件参数测量、各类物性型敏感器件、LED照明[1]等等都会用到恒流源。恒流源的性能直接关系到具体产品的性能。在各种恒流源电路中，运算放大器加功率MOS管构成的压控恒流源具有精度高，输出电流范围大等优点，是最为常见的一种恒流源[2]。但这种恒流源的功率MOS管通常不工作在可调电阻区，MOS管管压降大，恒流源效率不高。本研究巧妙地采用集成运放采样功率MOS管电压，使MOS管工作于可调电阻区附近，极大地提高了恒流源效率。

1 压控恒流源和单端反激式电路简介

压控恒流源基本结构如图1所示，由电源Vcc、负载、MOS管Q1的漏源极和电阻R串联组成。R为采样电阻，其上电压UR送至集成运算放大器的同向输入端，运算放大器反向输入端加给定电压Ui，运用运放虚短概念可得UR=Ui；Q1为运放的输出控制功率管。负载上电流，即流过电阻R上的电流为Io=Ui/R。当负载变化时，电阻R上电压变化会使得运放输出变化，从而改变Q1漏源两端上的电压，随即电阻R上电压变回UR=Ui，则负载上电流不变。因此，当采样电阻大小固定时，负载上电流由给定电压Ui控制，称之为压控恒流源，输出恒流的大小为Io=Ui/R。当MOS管工作在饱和区并且栅源电压UGS恒定，则漏极输出电流稳定度高，且优于工作于放大区基极电源恒定的GTR[3]，再加上MOS管输入阻抗很高，所以很适合用于压控恒流源。这种压控恒流源电路精度高，结构简单，但因功率管Q1通常工作于场效应管的饱和区导致管压降大，恒流源效率低。

单端反激式DC/DC变换电路是一种输入输出隔离的DC/DC变换电路，具有电路结构简单、体积小、成本低及可靠性高等很多优点[4]，广泛应用于功率不太大的直流电源供电场合，其基本结构图如图2所示。变压器同名端设置，当开关S导通时二极管D承受反压，变压器副边无电流，变压器相当于一个电感在存储能量；当S断开时，二极管D导通，变压器存储的磁能供给负载。因开关管S导通时变压器没有能量传递到负载，能量是在开关管S断开时由变压器传递给负载的，因此称为反激式[5]。

图1 压控制恒流源基本结构

图2 单端反激式DC/DC电路

2 高效可多路的恒流源电路设计

2.1 系统结构

本研究设计的高效率可多路恒流源系统框图如图3所示。系统由两级电路构成，单端反激式电路为第一级，是控制的外环；压控恒流源是第二级，是控制的内环。单端反激式变换电路把220 V市电转化为直流电，为后面压控恒流源供电。压控恒流源把直流电变成负载上所需的恒定电流输出。

图3 系统框图

2.2 具体电路设计

高效率可多路恒流源电路如图4所示。单端反激式控制以UC3845为核心，压控恒流源由集成运算放大器LM358和功率MOS管构成。UC3845是一种固定频率的电流模式高性能PWM集成控制器，集成有高增益的误差放大器、电流取样比较器、振荡器、大电流图腾柱输出，可直接驱动MOS管。其中电流模式是指一种双闭环控制方式，是一种固定时间开启，由给定电压信号、反馈电压信号和反馈电流信号共同决定关断时刻的控制方法[6-7]。UC3845开启电压为8.5 V，工作后断电欠压输出锁定(关闭)电压为7.6 V，工作频率达500 kHz，输出占空比不大于50%，其工作参数均适合本设计需求。LM358内部包括两个独立的、高增益的、内部频补偿的运算放大器，可单电源供电(3～ 30 V)，也可以双电源供电(±1.5～±15 V)。

图4 高效率可多路恒流源电路

恒流源电路由LM358中的一个运算放大器B、功率管Q2、电流检测电阻RS2构成。压控恒流源给定电压Ug加在运算放大器B的6脚上，图4中未给出给定电压的电路部分。给定电压可由高精度稳压管稳压后再并联精密电阻分压后获得。两个NPN型三极管Q3和Q4构成镜像电流源，可确保两个支路负载LOAD1和LOAD2上电流相等。如果出现多支路需要均流时，镜像电流源可增加支路，若只有一个支路，则不需要镜像电流源设计，负载直接跨接在单端反激式电路输出正端和Q2的漏极之间。

变压器T1、功率管Q1、二极管D1、电容C2和电流检测电阻RS1构成单端反激式主电路。单端反激式输入直流电Uin可以从220 V市电经二极管桥式整流电容滤波后获得，图4中未给出该部分的电路。UC3845的6脚输出PWM信号经R3直接驱动Q1；RS1上电流检测信号经过R8送至UC3845的3脚。二极管D2、D3、电阻R3和电容C1构成软启动电路。电压反馈信号加在UC3845的2脚。芯片供电部分、振荡电路部分等可以采用芯片厂家给出的参考电路设计。

UC3845内部集成的误差放大器同向输入端在芯片内部获得精准的2.5 V电压，同向输入端没有引脚引至芯片外，误差放大器反向输入端是其2引脚。加在UC3845的2脚上电压反馈信号由两部分构成。一部分是单端反激式输出电压，也即压控恒流供电电压，由R5、R6和RP2分压后加在UC3845的2脚，此输出电压反馈控制单端反激式的输出电压，使其输出电压稳定。本设计中为了便于采用LM358，当只有此输出电压反馈，则单端反激式输出电压稳定在30 V。因压控恒流源功率管Q2和负载串联，故不能采用给Q2关联电阻分压的方式进行电压反馈，但可利用运放输入阻抗高的特点，由LM358中的另一运放A同向输入端3脚采样Q2漏极电压，则运放A构成电压跟随器，其1脚上输出电压等于Q2漏极上电压。运放A的1脚电压经R9和RP1分压后同样送至UC3845的2脚。此时UC3845的2脚上的两路反馈同时工作。电路中采用Q2的漏极电压采样反馈的目的在于限定Q2的管压降，使其始终工作于可调电阻区附近，从而提高了系统的效率。当反激式输出电压高于30 V时输出电压反馈使其输出电压限定在30 V，当输出电压低于30 V时输出电压反馈不起做用，此时主要由压控恒流源功率管漏极电压反馈工作，限定功率管Q2管压降。RS1选取0.100 Ω的高精度电阻，允许电流为5 A以上。Q2选取IRF540型MOS管。考虑到同向运算放大器(电压跟随器)的特性和实际反激式电路的输出电压，为了使MOS管Q2尽可能的接近可调电阻区，本设计选择当漏极电压采样部分使系统稳定时Q2漏极电压为2.8 V，也可以根据需要设为其它电压值。二极管D4的作用为当输出电压低于30 V时Q2漏极电压反馈部分不受输出电压反馈部分的影响。稳压管VZ1限定LM358的供电电压，稳压管VZ2限定UC3845的2脚上最高电压。

3 实验方法与结果

实验时图4中输入的直流电Uin是由220 V市电经二极管桥式整流和电容滤波后得到，约280 V，实验在常温下进行。实验前要先对电路按以下步骤调节：①电路不接负载，即空载，然后接通市电；②调节可调电阻RP2，使单端反激式输出电压为30 V；③调节给定电压Ug为0.100 V；④负载LOAD1和负载LOAD2都取阻值10 Ω功率5 W的电阻，断开电源后接入负载，然后再次接通电源；⑤调节调电阻RP1，使功率管Q2的漏极和地之间电压为2.8 V；当Q2为不同类型的管子时，此电压略有不同，使用时应让其尽可以地工作在可调电阻区附近。图4中电路的输入有功功率记为Pin，负载LOAD1和LOAD2实际消耗的有功功率分别记作P1、P2。系统效率η定义为：

测量时压控恒流源给定电压Ug保持为精确的0.300 V，即流过Q2漏极输出恒流为3 A，负载LOAD1和LOAD2均为纯电阻性负载。实验测得的负载LOAD1和LOAD2两个支流上电流I1和I2及系统总的效率如表1所示。从表格中可以看出，加入了镜像电源部分后系统效率仍可达75%以上，对比传统的直接由市电供电的压控恒流源，系统效率大幅提高，且恒流精度没有任何降低。当负载上电压低时，功率管Q2压降在单端反激式输出电压中占比略大，再加上单端反激式输出电压偏低时本身效率也不太高，故此时系统效率低。随着负载上电压增加，系统效率随之提升。当两路负载不对称时，系统效率下降，原因在于镜像电源中有一个三极管上功耗增加了。本实验中因考虑到镜像电流源中采用的三极管的最大功耗，两路负载并未相差太多。

表1 恒流3A 时不同负载下测试结果

4 结论

设计的恒流源系统巧秒地利用运算放大器采样压控恒流源的功率管电压，使功率管尽可能地工作于可调电阻区附近(近似于开关闭合的状态)，在没有降低恒流精度的前提下，提高了系统效率；并且所设计的恒流源系统电子元件数量几乎没有增加，更未采用特殊的或价格较贵的器件，性价比很高。该设计可用于如LED照明等需恒流驱动多支路均流的情况，也可以用于电子设备仪器等；同时系统采用了高校教材中的多个经典电路，因此在高校实验实训中有很大的推广价值[7]。