一種小型可調式恒流源電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種小型可調式恒流源電路，結構簡單，生產(chǎn)成本低，該電路采用低壓單電源供電，可以實現(xiàn)通過數(shù)字指令控制，其基本型模塊電路也可以通過輸入模擬電壓信號控制，輸出電流可以隨著控制電壓連續(xù)調節(jié)；通過對負反饋部分進行增益控制改進，在電流控制電壓精度相同的情況下其輸出電流精度可提升至原來的幾十倍；增加ADC控制方法后，可以消除運放的偏置電壓和硬件電路溫度漂移帶來的誤差。
【專利說明】
一種小型可調式恒流源電路
技術領域
[0001]本實用新型涉及恒流源設計領域，尤其涉及一種小型可調式恒流源電路。
【背景技術】
[0002]恒流源、交流恒流源、直流恒流源、電流發(fā)生器、大電流發(fā)生器又叫電流源、穩(wěn)流源，是一種寬頻譜，高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應速度快，恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質負載(阻性、感性、容性)等優(yōu)點。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，恒流源的應用也日益變得重要，如機器人、工業(yè)自動化、衛(wèi)星通信、電力通訊、智能化儀器儀表以及其它數(shù)字控制領域都迫切需要使用恒定電流電路。因此，研究和開發(fā)恒流電路具有十分重要的意義。許多場合，尤其是高精度測控系統(tǒng)需要高精度的電壓源與電流源，同時，微電子工藝的高速發(fā)展，給我們提供了許多小型化、集成化的高精度電壓源，但是對于由功率MOS管構成的電流源，傳統(tǒng)上為了達到徹底關斷功率MOS管控制的輸出電流而對運放采用了正負雙電源供電的方案，電路結構復雜，成本高；而且電流精度低。另外，現(xiàn)有的恒流源采用運算放大器，會遇到輸入失調電壓及其溫漂問題，由此帶來輸出電壓的誤差，而這個誤差是無法通過校準來消除的。
[0003]因此，現(xiàn)有技術存在缺陷，需要改進。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種小型可調式恒流源電路。
[0005]本實用新型的技術方案如下:本實用新型提供一種小型可調式恒流源電路，包括:第一雙路運算放大器、第一至第三電阻、MOS管、第一電容以及二極管，所述第一雙路運算放大器具有第一正輸入引腳、第一負輸入引腳以及第一輸出引腳，所述MOS管具有源極、柵極以及漏極，所述第一正輸入引腳與控制電壓輸入引腳電性連接，所述第一正輸入引腳與第一電阻的一端電性連接，所述第一電阻的另一端連接至地線，所述第一負輸入引腳與MOS管的源極電性連接，所述MOS管的源極還與第三電阻的一端電性連接，所述第三電阻的另一端連接至地線，所述第一輸出引腳與第二電阻的一端電性連接，所述第二電阻的另一端與MOS管的柵極電性連接，所述MOS管的漏極分別與第一電容的一端、二極管的陽極以及負載的一端電性連接，所述第一電容的另一端、二極管的陰極以及負載的另一端均連接至驅動電源。
[0006]所述第一雙路運算放大器的型號為TLV2262A，所述MOS管的型號為Π3Τ439Ν，所述二極管的型號為B5819WS。
[0007]所述第一電阻的阻值為1K Ω，所述第二電阻的阻值為220 Ω，所述第三電阻的阻值為0.1Ω。
[0008]所述小型可調式恒流源電路還包括:第二雙路運算放大器、第四至第五電阻、以及第二電容，所述第二雙路運算放大器具有第二正輸入引腳、第二負輸入引腳以及第二輸出引腳，所述第二輸出引腳分別與第一負輸入引腳、第二電容的一端以及第五電阻的一端電性連接，所述第二負輸入引腳分別與所述第二電容的另一端、第四電阻的一端以及第五電阻的另一端電性連接，所述第四電阻的另一端與地線電性連接，所述第二正輸入引腳與MOS管的源極電性連接。
[0009]所述第二雙路運算放大器的型號為TLV2262A。
[0010]所述第五電阻的阻值與第四電阻的阻值之比為9.09。
[0011]所述第五電阻的阻值為90.9ΚΩ，所述第四電阻的阻值為1KΩ。
[0012]所述小型可調式恒流源電路還包括一反饋補償單元，所述反饋補償單元分別與第三電阻的一端、控制電壓輸入引腳電性連接。
[0013]所述反饋補償單元采用芯片MKL27Z128VFM4，所述芯片MKL27Z128VFM4具有第I弓丨腳至第32引腳，所述第9引腳與所述控制電壓輸入引腳電性連接，所述第20引腳與第三電阻的一端電性連接。
[0014]所述小型可調式恒流源電路還包括一用于給所述反饋補償單元供電的降壓單元，所述降壓單元采用芯片LMl 117-3.3。
[0015]采用上述方案，本實用新型的小型可調式恒流源電路，結構簡單，生產(chǎn)成本低，該電路采用低壓單電源供電，可以實現(xiàn)通過數(shù)字指令控制，其基本型模塊電路也可以通過輸入模擬電壓信號控制，輸出電流可以隨著控制電壓連續(xù)調節(jié);通過對負反饋部分進行增益控制改進，在電流控制電壓精度相同的情況下其輸出電流精度可提升至原來的幾十倍;增加ADC控制方法后，可以消除運放的偏置電壓和硬件電路溫度漂移帶來的誤差。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型小型可調式恒流源電路的一實施例的示意圖；
[0017]圖2為本實用新型小型可調式恒流源電路的另一實施例的示意圖；
[0018]圖3為本實用新型中反饋補償單元的示意圖；
[0019]圖4為本實用新型中降壓單元的示意圖；
[0020]圖5為本實用新型控制流程圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖和具體實施例，對本實用新型進行詳細說明。
[0022]請參閱圖1，本實用新型提供一種小型可調式恒流源電路，所需元件比較少，特別適合于各種便攜式和手持設備，該電路包括:第一雙路運算放大器U1、第一至第三電阻R1、R2、R3、M0S管Q、第一電容Cl以及二極管D，所述第一雙路運算放大器Ul具有第一正輸入引腳
a、第一負輸入引腳b以及第一輸出引腳C，所述MOS管Q具有源極S、柵極g以及漏極d，所述第一正輸入引腳a與控制電壓輸入引腳電性連接，所述第一正輸入引腳a與第一電阻Rl的一端電性連接，所述第一電阻Rl的另一端連接至地線，所述第一負輸入引腳b與MOS管Q的源極s電性連接，所述MOS管Q的源極s還與第三電阻R3的一端電性連接，所述第三電阻R3的另一端連接至地線，所述第一輸出引腳b與第二電阻R2的一端電性連接，所述第二電阻R2的另一端與MOS管Q的柵極g電性連接，所述MOS管Q的漏極d分別與第一電容Cl的一端、二極管D的陽極以及負載的一端電性連接，所述第一電容Cl的另一端、二極管D的陰極以及負載的另一端均連接至驅動電源(5V)。
[0023]上述的小型可調式恒流源電路為最基本電路拓撲，有第一雙路運算放大器和MOS管構成負反饋恒流控制。從第三電阻R3采集到電壓進入到第一雙路運算放大器Ul的第一負輸入引腳，并與第一雙路運算放大器Ul的第一正輸入引腳的電流控制電壓V_ADJ_IN進行比較后，輸出控制電壓驅動MOS管Q，以達到控制輸出電流的目的。在本實施例中，所述第一雙路運算放大器的型號為單電源軌到軌雙運放的TLV2262A，能夠實現(xiàn)輸出控制范圍最大化；所述MOS管的型號為FDT439N，最大允許通過的電流為6.3A;所述二極管的型號為B5819WS。
[0024]另外，為了防止第一雙路運算放大器Ul的第一正輸入引腳輸入的電流控制電壓V_ADJ_IN在OV有漂移和抖動，特別增加第一電阻與地線連接。所述第一電阻的阻值為1K Ω。請參閱圖1，圖中電容C11、CE 12是電源(5V)的退耦電容;第二電阻R2為MOS管Q的柵極g保護電阻，考慮到MOS管Q的Ciss典型值為500pf@lMHz，兼顧第一雙路運算放大器Ul的SR在5V供電時典型值為0.55V/us=5V/9us，第一雙路運算放大器Ul第一正輸出引腳通過第二電阻R2對MOS管Q柵極g的極充放電時間應遠低于9us，故此處選用220 Ω比較合適。所述第三電阻的阻值為0.1 Ω。
[0025]為滿足本恒流源電路支持接感性負載(圖1中的負載默認為一個大功率LED燈DSl)，在負載輸出端增加了續(xù)流肖特基二極管D(型號為B5819WS)和第一電容一起來消除感性負載在斷電時產(chǎn)生的反向電動勢，以避免對Ql造成損壞。
[0026]工作原理:外部從控制電壓輸入引腳輸入電流控制電SV_ADJ_IN，瞬態(tài)下，第一雙路運算放大器Ul第一輸出引腳迅速飽和，使得MOS管Q導通。第三電阻R3上端電壓逐漸升高，當與電流控制電壓V_ADJ_IN相當時，第一雙路運算放大器Ul的輸出逐漸降低，并最終達到平衡。平衡時，第一雙路運算放大器Ul第一正輸入引腳和第一負輸入引腳電壓相同，此時輸出的電流即為理論輸出電流值。由于第一電阻Rl(下拉電阻)的存在，當將電流控制電壓V_AD J_IN有效拉至0，此時第一雙路運算放大器Ul輸出電流為0，輸出徹底關掉。相比現(xiàn)有其它為了達到徹底關斷MOS管Q控制的輸出電流而對運放采用了正負雙電源供電的方案，此設計省去了一個負電源產(chǎn)生電路，結構簡單，成本低。
[0027]為了提高輸出電流的精度，通過把第三電阻R3上端采集到的電壓通過增益放大再輸入至第一雙路運算放大器Ul的第一負輸入引腳b上，請參閱圖2，所述小型可調式恒流源電路還包括:第二雙路運算放大器U2、第四至第五電阻R4、R5、以及第二電容C2，所述第二雙路運算放大器U2具有第二正輸入引腳d、第二負輸入引腳e以及第二輸出引腳f，所述第二輸出引腳f分別與第一負輸入引腳b、第二電容C2的一端以及第五電阻R5的一端電性連接，所述第二負輸入引腳e分別與所述第二電容C2的另一端、第四電阻R4的一端以及第五電阻R5的另一端電性連接，所述第四電阻R4的另一端與地線電性連接，所述第二正輸入引腳d與MOS管Q的源極s電性連接。
[0028]優(yōu)選的，所述第二雙路運算放大器的型號為單電源軌到軌雙運放的TLV2262A。所述第五電阻的阻值與第四電阻的阻值之比為9.09。所述第五電阻的阻值為90.9ΚΩ，所述第四電阻的阻值為1KΩ。
[0029]其中，第一雙路運算放大器Ul作為負反饋控制用，第二雙路運算放大器U2與第四電阻R4、第五電阻R5構成同相閉環(huán)放大器，將第三電阻R3上端的反饋電SV_FB放大后通過第二雙路運算放大器U2的第二輸入引腳輸出到第一雙路運算放大器Ul的第一負輸入引腳
b。其中，第四電阻R4、第五電阻R5構成反饋電壓V_FB放大倍數(shù)，其放大倍數(shù)(增益系數(shù))G=I+R5/R4=10.09。第二電容C2為相位補償電容。[0030 ]此時恒流源電路的輸出電流I =U/G/R3 (U仍然為V_AD J_I N處的電流控制電壓，G為增益系數(shù))。若電流控制電SV_ADJ_IN精度為0.1V，則輸出電流精度值Zl=ZU/G/R3=0.1V/10/0.1 Ω=0.1A，電流精度比前者方案(1Α)提高了 1倍。
[0031]對于運算放大器的電路都會遇到輸入失調電壓及其溫漂問題，由此帶來輸出電壓的誤差，而這個誤差是無法通過校準消除的。針對這個問題，在圖2的基礎上可以增加一反饋補償單元來進行改進。一方面利用反饋補償單元的DAC功能可以輸出精確更高的電流控制電壓V_ADJ_IN;另一方面直接利用ADC采集第三電阻R3上端的電壓V_FB來判斷是否達到輸出電流值并作出調整，這樣完全避開了第二雙路運算放大器U2的輸入失調電壓及其溫漂帶來的控制誤差。請結合參閱圖2至圖4，所述小型可調式恒流源電路還包括一反饋補償單元和用于給所述反饋補償單元供電的降壓單元，所述反饋補償單元分別與第三電阻的一端、控制電壓輸入引腳電性連接。所述反饋補償單元采用芯片U3(型號為MKL27Z128VFM4)，所述芯片U3具有第I引腳至第32引腳，所述第9引腳與所述控制電壓輸入引腳電性連接，以控制輸出所需恒流值大小;所述第20引腳與第三電阻的一端電性連接，以采集第三電阻R3上端的反饋電壓。芯片U3支持ADC和DAC。外部LDO降壓電源由經(jīng)第三電容C3、第四電容C4濾波后進入第15引腳(電源引腳VDD)，經(jīng)第五電容C5濾波后進入到第七引腳(模擬電源輸入腳VDDA)，第七引腳上的電壓也是芯片U3的ADC的電源參考引腳。第六電阻R6為復位上拉電阻，第七電容C7為退耦電容防止干擾，第八電容C8為ADC引腳上的退耦電容。
[0032]在這里，對反饋單元的供電可以采用兩種方式，一種是提供5V電源由反饋補償單元內部自行降壓，一種是外部將5V電源降壓為3.3V，再供給反饋補償單元。
[0033]當采用反饋補償單元內部自行降壓方式時，接口Pl作為5V電源輸入接口，輸入的5V電源經(jīng)電容CE13和電容C9濾波后，接至芯片U3的第6引腳(S卩VREGIN引腳)，由芯片U3內部的LDO實現(xiàn)降壓自供電。即降壓單元不使用芯片U4(型號為LM1117-3.3)進行降壓，直接省掉芯片LM1117-3.3和電容CE14、C10。采用此方案供電時，芯片U3外圍電路的第七電阻R7的阻值為O Ω。
[0034]當采用外部降壓在供電的方式時，所述降壓單元采用芯片U4(型號為LM1117-3.3 )，具體電路圖如圖4所示，接口 PI作為5V電源輸入接口，此時電容CE 13和電容C9為輸入電壓濾波電容；電容CE14和電容ClO為LDO輸出濾波電容。5V電源通過芯片U4及上述輸出濾波電容降壓為3.3V給芯片U3供電。采用此方案供電時，芯片U3外圍電路的第七電阻R7的阻值無限大，或者直接將第七電阻R7處斷開。當使用芯片U3內部LDO時，第6引腳(VREGIN引腳)直接接+5V，芯片U3自帶的USB通訊口 USB0_DP、USB0_DM與外部接口相連，即外部可通過USB通訊來控制該恒流源電路的電流輸出大小。
[0035]請結合參閱圖2至圖5，工作原理:外部可以通過USB或UART(采用Pl作為電源輸入)，發(fā)所需的輸出電流指令到芯片U3，芯片U3接收到指令后通過DAC輸出電流控制電壓V_AD J_IN進入第一雙路運算放大器Ul的第一正輸入引腳，第一雙路運算放大器Ul輸出端迅速飽和，使得MOS管Q導通，第三電阻R3上端電SV_FB逐漸升高，同時第二雙路運算放大器U2的輸出電壓相應升高，導致第一雙路運算放大器Ul的輸出逐漸降低，最終達到平衡。在這種過程中若第二雙路運算放大器U2及外圍電路組成的同相閉環(huán)放大器遇到輸入失調電壓及其溫漂帶來的控制誤差時，此時芯片U3采集到第三電阻R3上端的電壓V_FB與理論值將會有偏差，芯片U3根據(jù)此偏差微調DAC的輸出電壓值以改變第一雙路運算放大器Ul的輸出，最終達到修正輸出電流的目的。
[0036]此外，由于芯片U3的DAC為12bit的DAC，在其輸出的電壓值V_ADJ_IN的精度能達到ZlV=1.2V/2~ 12=0.29mV(以MKL27Z128VFM4內部的基準電壓1.2V為例)，相應的電流控制精度能達到 Zl=ZU/G/R3=0.29mA。
[0037]綜上所述，本實用新型提供一種小型、帶有串行通信接口的可調式恒流源電路，結構簡單，生產(chǎn)成本低，該電路采用低壓單電源供電，可以實現(xiàn)通過數(shù)字指令控制，其基本型模塊電路也可以通過輸入模擬電壓信號控制，輸出電流可以隨著控制電壓連續(xù)調節(jié);通過對負反饋部分進行增益控制改進，在電流控制電壓精度相同的情況下其輸出電流精度可提升至原來的幾十倍;增加ADC控制方法后，可以消除運放的偏置電壓和硬件電路溫度漂移帶來的誤差。
[0038]以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種小型可調式恒流源電路，其特征在于，包括:第一雙路運算放大器、第一至第三電阻、MOS管、第一電容以及二極管，所述第一雙路運算放大器具有第一正輸入引腳、第一負輸入引腳以及第一輸出引腳，所述MOS管具有源極、柵極以及漏極，所述第一正輸入引腳與控制電壓輸入引腳電性連接，所述第一正輸入引腳與第一電阻的一端電性連接，所述第一電阻的另一端連接至地線，所述第一負輸入引腳與MOS管的源極電性連接，所述MOS管的源極還與第三電阻的一端電性連接，所述第三電阻的另一端連接至地線，所述第一輸出引腳與第二電阻的一端電性連接，所述第二電阻的另一端與MOS管的柵極電性連接，所述MOS管的漏極分別與第一電容的一端、二極管的陽極以及負載的一端電性連接，所述第一電容的另一端、二極管的陰極以及負載的另一端均連接至驅動電源。2.根據(jù)權利要求1所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，所述第一雙路運算放大器的型號為TLV2262A，所述MOS管的型號為FDT439N，所述二極管的型號為B5819WS。3.根據(jù)權利要求1所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，所述第一電阻的阻值為1K Ω，所述第二電阻的阻值為220 Ω，所述第三電阻的阻值為0.1 Ω。4.根據(jù)權利要求1所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，還包括:第二雙路運算放大器、第四至第五電阻、以及第二電容，所述第二雙路運算放大器具有第二正輸入引腳、第二負輸入引腳以及第二輸出引腳，所述第二輸出引腳分別與第一負輸入引腳、第二電容的一端以及第五電阻的一端電性連接，所述第二負輸入引腳分別與所述第二電容的另一端、第四電阻的一端以及第五電阻的另一端電性連接，所述第四電阻的另一端與地線電性連接，所述第二正輸入引腳與MOS管的源極電性連接。5.根據(jù)權利要求4所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，所述第二雙路運算放大器的型號為TLV2262A。6.根據(jù)權利要求4所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，所述第五電阻的阻值與第四電阻的阻值之比為9.09。7.根據(jù)權利要求6所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，所述第五電阻的阻值為90.9ΚΩ，所述第四電阻的阻值為1KΩ。8.根據(jù)權利要求4所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，還包括一反饋補償單元，所述反饋補償單元分別與第三電阻的一端、控制電壓輸入引腳電性連接。9.根據(jù)權利要求8所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，所述反饋補償單元采用芯片MKL27Z128VFM4，所述芯片MKL27Z128VFM4具有第I引腳至第32引腳，所述第9引腳與所述控制電壓輸入引腳電性連接，所述第20引腳與第三電阻的一端電性連接。10.根據(jù)權利要求9所述的小型可調式恒流源電路，其特征在于，還包括一用于給所述反饋補償單元供電的降壓單元，所述降壓單元采用芯片LMl 117-3.3。
【文檔編號】G05F1/56GK205450860SQ201620201195
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】付慶波, 董旭毅
【申請人】深圳市比特原子科技有限公司