一种小型可调式恒流源电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种小型可调式恒流源电路，结构简单，生产成本低，该电路采用低压单电源供电，可以实现通过数字指令控制，其基本型模块电路也可以通过输入模拟电压信号控制，输出电流可以随着控制电压连续调节；通过对负反馈部分进行增益控制改进，在电流控制电压精度相同的情况下其输出电流精度可提升至原来的几十倍；增加ADC控制方法后，可以消除运放的偏置电压和硬件电路温度漂移带来的误差。
【专利说明】
一种小型可调式恒流源电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及恒流源设计领域，尤其涉及一种小型可调式恒流源电路。
【背景技术】
[0002]恒流源、交流恒流源、直流恒流源、电流发生器、大电流发生器又叫电流源、稳流源，是一种宽频谱，高精度交流稳流电源，具有响应速度快，恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载(阻性、感性、容性)等优点。随着现代技术的发展，恒流源的应用也日益变得重要，如机器人、工业自动化、卫星通信、电力通讯、智能化仪器仪表以及其它数字控制领域都迫切需要使用恒定电流电路。因此，研究和开发恒流电路具有十分重要的意义。许多场合，尤其是高精度测控系统需要高精度的电压源与电流源，同时，微电子工艺的高速发展，给我们提供了许多小型化、集成化的高精度电压源，但是对于由功率MOS管构成的电流源，传统上为了达到彻底关断功率MOS管控制的输出电流而对运放采用了正负双电源供电的方案，电路结构复杂，成本高；而且电流精度低。另外，现有的恒流源采用运算放大器，会遇到输入失调电压及其温漂问题，由此带来输出电压的误差，而这个误差是无法通过校准来消除的。
[0003]因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种小型可调式恒流源电路。
[0005]本实用新型的技术方案如下:本实用新型提供一种小型可调式恒流源电路，包括:第一双路运算放大器、第一至第三电阻、MOS管、第一电容以及二极管，所述第一双路运算放大器具有第一正输入引脚、第一负输入引脚以及第一输出引脚，所述MOS管具有源极、栅极以及漏极，所述第一正输入引脚与控制电压输入引脚电性连接，所述第一正输入引脚与第一电阻的一端电性连接，所述第一电阻的另一端连接至地线，所述第一负输入引脚与MOS管的源极电性连接，所述MOS管的源极还与第三电阻的一端电性连接，所述第三电阻的另一端连接至地线，所述第一输出引脚与第二电阻的一端电性连接，所述第二电阻的另一端与MOS管的栅极电性连接，所述MOS管的漏极分别与第一电容的一端、二极管的阳极以及负载的一端电性连接，所述第一电容的另一端、二极管的阴极以及负载的另一端均连接至驱动电源。
[0006]所述第一双路运算放大器的型号为TLV2262A，所述MOS管的型号为Π3Τ439Ν，所述二极管的型号为B5819WS。
[0007]所述第一电阻的阻值为1K Ω，所述第二电阻的阻值为220 Ω，所述第三电阻的阻值为0.1Ω。
[0008]所述小型可调式恒流源电路还包括:第二双路运算放大器、第四至第五电阻、以及第二电容，所述第二双路运算放大器具有第二正输入引脚、第二负输入引脚以及第二输出引脚，所述第二输出引脚分别与第一负输入引脚、第二电容的一端以及第五电阻的一端电性连接，所述第二负输入引脚分别与所述第二电容的另一端、第四电阻的一端以及第五电阻的另一端电性连接，所述第四电阻的另一端与地线电性连接，所述第二正输入引脚与MOS管的源极电性连接。
[0009]所述第二双路运算放大器的型号为TLV2262A。
[0010]所述第五电阻的阻值与第四电阻的阻值之比为9.09。
[0011]所述第五电阻的阻值为90.9ΚΩ，所述第四电阻的阻值为1KΩ。
[0012]所述小型可调式恒流源电路还包括一反馈补偿单元，所述反馈补偿单元分别与第三电阻的一端、控制电压输入引脚电性连接。
[0013]所述反馈补偿单元采用芯片MKL27Z128VFM4，所述芯片MKL27Z128VFM4具有第I弓丨脚至第32引脚，所述第9引脚与所述控制电压输入引脚电性连接，所述第20引脚与第三电阻的一端电性连接。
[0014]所述小型可调式恒流源电路还包括一用于给所述反馈补偿单元供电的降压单元，所述降压单元采用芯片LMl 117-3.3。
[0015]采用上述方案，本实用新型的小型可调式恒流源电路，结构简单，生产成本低，该电路采用低压单电源供电，可以实现通过数字指令控制，其基本型模块电路也可以通过输入模拟电压信号控制，输出电流可以随着控制电压连续调节;通过对负反馈部分进行增益控制改进，在电流控制电压精度相同的情况下其输出电流精度可提升至原来的几十倍;增加ADC控制方法后，可以消除运放的偏置电压和硬件电路温度漂移带来的误差。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型小型可调式恒流源电路的一实施例的示意图；
[0017]图2为本实用新型小型可调式恒流源电路的另一实施例的示意图；
[0018]图3为本实用新型中反馈补偿单元的示意图；
[0019]图4为本实用新型中降压单元的示意图；
[0020]图5为本实用新型控制流程图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
[0022]请参阅图1，本实用新型提供一种小型可调式恒流源电路，所需元件比较少，特别适合于各种便携式和手持设备，该电路包括:第一双路运算放大器U1、第一至第三电阻R1、R2、R3、M0S管Q、第一电容Cl以及二极管D，所述第一双路运算放大器Ul具有第一正输入引脚
a、第一负输入引脚b以及第一输出引脚C，所述MOS管Q具有源极S、栅极g以及漏极d，所述第一正输入引脚a与控制电压输入引脚电性连接，所述第一正输入引脚a与第一电阻Rl的一端电性连接，所述第一电阻Rl的另一端连接至地线，所述第一负输入引脚b与MOS管Q的源极s电性连接，所述MOS管Q的源极s还与第三电阻R3的一端电性连接，所述第三电阻R3的另一端连接至地线，所述第一输出引脚b与第二电阻R2的一端电性连接，所述第二电阻R2的另一端与MOS管Q的栅极g电性连接，所述MOS管Q的漏极d分别与第一电容Cl的一端、二极管D的阳极以及负载的一端电性连接，所述第一电容Cl的另一端、二极管D的阴极以及负载的另一端均连接至驱动电源(5V)。
[0023]上述的小型可调式恒流源电路为最基本电路拓扑，有第一双路运算放大器和MOS管构成负反馈恒流控制。从第三电阻R3采集到电压进入到第一双路运算放大器Ul的第一负输入引脚，并与第一双路运算放大器Ul的第一正输入引脚的电流控制电压V_ADJ_IN进行比较后，输出控制电压驱动MOS管Q，以达到控制输出电流的目的。在本实施例中，所述第一双路运算放大器的型号为单电源轨到轨双运放的TLV2262A，能够实现输出控制范围最大化；所述MOS管的型号为FDT439N，最大允许通过的电流为6.3A;所述二极管的型号为B5819WS。
[0024]另外，为了防止第一双路运算放大器Ul的第一正输入引脚输入的电流控制电压V_ADJ_IN在OV有漂移和抖动，特别增加第一电阻与地线连接。所述第一电阻的阻值为1K Ω。请参阅图1，图中电容C11、CE 12是电源(5V)的退耦电容;第二电阻R2为MOS管Q的栅极g保护电阻，考虑到MOS管Q的Ciss典型值为500pf@lMHz，兼顾第一双路运算放大器Ul的SR在5V供电时典型值为0.55V/us=5V/9us，第一双路运算放大器Ul第一正输出引脚通过第二电阻R2对MOS管Q栅极g的极充放电时间应远低于9us，故此处选用220 Ω比较合适。所述第三电阻的阻值为0.1 Ω。
[0025]为满足本恒流源电路支持接感性负载(图1中的负载默认为一个大功率LED灯DSl)，在负载输出端增加了续流肖特基二极管D(型号为B5819WS)和第一电容一起来消除感性负载在断电时产生的反向电动势，以避免对Ql造成损坏。
[0026]工作原理:外部从控制电压输入引脚输入电流控制电SV_ADJ_IN，瞬态下，第一双路运算放大器Ul第一输出引脚迅速饱和，使得MOS管Q导通。第三电阻R3上端电压逐渐升高，当与电流控制电压V_ADJ_IN相当时，第一双路运算放大器Ul的输出逐渐降低，并最终达到平衡。平衡时，第一双路运算放大器Ul第一正输入引脚和第一负输入引脚电压相同，此时输出的电流即为理论输出电流值。由于第一电阻Rl(下拉电阻)的存在，当将电流控制电压V_AD J_IN有效拉至0，此时第一双路运算放大器Ul输出电流为0，输出彻底关掉。相比现有其它为了达到彻底关断MOS管Q控制的输出电流而对运放采用了正负双电源供电的方案，此设计省去了一个负电源产生电路，结构简单，成本低。
[0027]为了提高输出电流的精度，通过把第三电阻R3上端采集到的电压通过增益放大再输入至第一双路运算放大器Ul的第一负输入引脚b上，请参阅图2，所述小型可调式恒流源电路还包括:第二双路运算放大器U2、第四至第五电阻R4、R5、以及第二电容C2，所述第二双路运算放大器U2具有第二正输入引脚d、第二负输入引脚e以及第二输出引脚f，所述第二输出引脚f分别与第一负输入引脚b、第二电容C2的一端以及第五电阻R5的一端电性连接，所述第二负输入引脚e分别与所述第二电容C2的另一端、第四电阻R4的一端以及第五电阻R5的另一端电性连接，所述第四电阻R4的另一端与地线电性连接，所述第二正输入引脚d与MOS管Q的源极s电性连接。
[0028]优选的，所述第二双路运算放大器的型号为单电源轨到轨双运放的TLV2262A。所述第五电阻的阻值与第四电阻的阻值之比为9.09。所述第五电阻的阻值为90.9ΚΩ，所述第四电阻的阻值为1KΩ。
[0029]其中，第一双路运算放大器Ul作为负反馈控制用，第二双路运算放大器U2与第四电阻R4、第五电阻R5构成同相闭环放大器，将第三电阻R3上端的反馈电SV_FB放大后通过第二双路运算放大器U2的第二输入引脚输出到第一双路运算放大器Ul的第一负输入引脚
b。其中，第四电阻R4、第五电阻R5构成反馈电压V_FB放大倍数，其放大倍数(增益系数)G=I+R5/R4=10.09。第二电容C2为相位补偿电容。[0030 ]此时恒流源电路的输出电流I =U/G/R3 (U仍然为V_AD J_I N处的电流控制电压，G为增益系数)。若电流控制电SV_ADJ_IN精度为0.1V，则输出电流精度值Zl=ZU/G/R3=0.1V/10/0.1 Ω=0.1A，电流精度比前者方案(1Α)提高了 1倍。
[0031]对于运算放大器的电路都会遇到输入失调电压及其温漂问题，由此带来输出电压的误差，而这个误差是无法通过校准消除的。针对这个问题，在图2的基础上可以增加一反馈补偿单元来进行改进。一方面利用反馈补偿单元的DAC功能可以输出精确更高的电流控制电压V_ADJ_IN;另一方面直接利用ADC采集第三电阻R3上端的电压V_FB来判断是否达到输出电流值并作出调整，这样完全避开了第二双路运算放大器U2的输入失调电压及其温漂带来的控制误差。请结合参阅图2至图4，所述小型可调式恒流源电路还包括一反馈补偿单元和用于给所述反馈补偿单元供电的降压单元，所述反馈补偿单元分别与第三电阻的一端、控制电压输入引脚电性连接。所述反馈补偿单元采用芯片U3(型号为MKL27Z128VFM4)，所述芯片U3具有第I引脚至第32引脚，所述第9引脚与所述控制电压输入引脚电性连接，以控制输出所需恒流值大小;所述第20引脚与第三电阻的一端电性连接，以采集第三电阻R3上端的反馈电压。芯片U3支持ADC和DAC。外部LDO降压电源由经第三电容C3、第四电容C4滤波后进入第15引脚(电源引脚VDD)，经第五电容C5滤波后进入到第七引脚(模拟电源输入脚VDDA)，第七引脚上的电压也是芯片U3的ADC的电源参考引脚。第六电阻R6为复位上拉电阻，第七电容C7为退耦电容防止干扰，第八电容C8为ADC引脚上的退耦电容。
[0032]在这里，对反馈单元的供电可以采用两种方式，一种是提供5V电源由反馈补偿单元内部自行降压，一种是外部将5V电源降压为3.3V，再供给反馈补偿单元。
[0033]当采用反馈补偿单元内部自行降压方式时，接口Pl作为5V电源输入接口，输入的5V电源经电容CE13和电容C9滤波后，接至芯片U3的第6引脚(S卩VREGIN引脚)，由芯片U3内部的LDO实现降压自供电。即降压单元不使用芯片U4(型号为LM1117-3.3)进行降压，直接省掉芯片LM1117-3.3和电容CE14、C10。采用此方案供电时，芯片U3外围电路的第七电阻R7的阻值为O Ω。
[0034]当采用外部降压在供电的方式时，所述降压单元采用芯片U4(型号为LM1117-3.3 )，具体电路图如图4所示，接口 PI作为5V电源输入接口，此时电容CE 13和电容C9为输入电压滤波电容；电容CE14和电容ClO为LDO输出滤波电容。5V电源通过芯片U4及上述输出滤波电容降压为3.3V给芯片U3供电。采用此方案供电时，芯片U3外围电路的第七电阻R7的阻值无限大，或者直接将第七电阻R7处断开。当使用芯片U3内部LDO时，第6引脚(VREGIN引脚)直接接+5V，芯片U3自带的USB通讯口 USB0_DP、USB0_DM与外部接口相连，即外部可通过USB通讯来控制该恒流源电路的电流输出大小。
[0035]请结合参阅图2至图5，工作原理:外部可以通过USB或UART(采用Pl作为电源输入)，发所需的输出电流指令到芯片U3，芯片U3接收到指令后通过DAC输出电流控制电压V_AD J_IN进入第一双路运算放大器Ul的第一正输入引脚，第一双路运算放大器Ul输出端迅速饱和，使得MOS管Q导通，第三电阻R3上端电SV_FB逐渐升高，同时第二双路运算放大器U2的输出电压相应升高，导致第一双路运算放大器Ul的输出逐渐降低，最终达到平衡。在这种过程中若第二双路运算放大器U2及外围电路组成的同相闭环放大器遇到输入失调电压及其温漂带来的控制误差时，此时芯片U3采集到第三电阻R3上端的电压V_FB与理论值将会有偏差，芯片U3根据此偏差微调DAC的输出电压值以改变第一双路运算放大器Ul的输出，最终达到修正输出电流的目的。
[0036]此外，由于芯片U3的DAC为12bit的DAC，在其输出的电压值V_ADJ_IN的精度能达到ZlV=1.2V/2~ 12=0.29mV(以MKL27Z128VFM4内部的基准电压1.2V为例)，相应的电流控制精度能达到 Zl=ZU/G/R3=0.29mA。
[0037]综上所述，本实用新型提供一种小型、带有串行通信接口的可调式恒流源电路，结构简单，生产成本低，该电路采用低压单电源供电，可以实现通过数字指令控制，其基本型模块电路也可以通过输入模拟电压信号控制，输出电流可以随着控制电压连续调节;通过对负反馈部分进行增益控制改进，在电流控制电压精度相同的情况下其输出电流精度可提升至原来的几十倍;增加ADC控制方法后，可以消除运放的偏置电压和硬件电路温度漂移带来的误差。
[0038]以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种小型可调式恒流源电路，其特征在于，包括:第一双路运算放大器、第一至第三电阻、MOS管、第一电容以及二极管，所述第一双路运算放大器具有第一正输入引脚、第一负输入引脚以及第一输出引脚，所述MOS管具有源极、栅极以及漏极，所述第一正输入引脚与控制电压输入引脚电性连接，所述第一正输入引脚与第一电阻的一端电性连接，所述第一电阻的另一端连接至地线，所述第一负输入引脚与MOS管的源极电性连接，所述MOS管的源极还与第三电阻的一端电性连接，所述第三电阻的另一端连接至地线，所述第一输出引脚与第二电阻的一端电性连接，所述第二电阻的另一端与MOS管的栅极电性连接，所述MOS管的漏极分别与第一电容的一端、二极管的阳极以及负载的一端电性连接，所述第一电容的另一端、二极管的阴极以及负载的另一端均连接至驱动电源。2.根据权利要求1所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，所述第一双路运算放大器的型号为TLV2262A，所述MOS管的型号为FDT439N，所述二极管的型号为B5819WS。3.根据权利要求1所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值为1K Ω，所述第二电阻的阻值为220 Ω，所述第三电阻的阻值为0.1 Ω。4.根据权利要求1所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，还包括:第二双路运算放大器、第四至第五电阻、以及第二电容，所述第二双路运算放大器具有第二正输入引脚、第二负输入引脚以及第二输出引脚，所述第二输出引脚分别与第一负输入引脚、第二电容的一端以及第五电阻的一端电性连接，所述第二负输入引脚分别与所述第二电容的另一端、第四电阻的一端以及第五电阻的另一端电性连接，所述第四电阻的另一端与地线电性连接，所述第二正输入引脚与MOS管的源极电性连接。5.根据权利要求4所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，所述第二双路运算放大器的型号为TLV2262A。6.根据权利要求4所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，所述第五电阻的阻值与第四电阻的阻值之比为9.09。7.根据权利要求6所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，所述第五电阻的阻值为90.9ΚΩ，所述第四电阻的阻值为1KΩ。8.根据权利要求4所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，还包括一反馈补偿单元，所述反馈补偿单元分别与第三电阻的一端、控制电压输入引脚电性连接。9.根据权利要求8所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，所述反馈补偿单元采用芯片MKL27Z128VFM4，所述芯片MKL27Z128VFM4具有第I引脚至第32引脚，所述第9引脚与所述控制电压输入引脚电性连接，所述第20引脚与第三电阻的一端电性连接。10.根据权利要求9所述的小型可调式恒流源电路，其特征在于，还包括一用于给所述反馈补偿单元供电的降压单元，所述降压单元采用芯片LMl 117-3.3。
【文档编号】G05F1/56GK205450860SQ201620201195
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】付庆波, 董旭毅
【申请人】深圳市比特原子科技有限公司