一文读懂恒流源电路模块设计

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，因此恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流就会相应减少。为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。

采用集成运放构成的线性恒流源 电路构成如图所示，两个运放（一片324）构成比较放大环节， BG1、BG2三极管构成调整环节， RL 为负载电阻， RS为取样电阻， RW为电路提供基准电压。工作原理：如果由于电源波动使Uin降低，从而使负载电流减小时，则取样电压US必然减小，从而使取样电压与基准电压的差值（US- Uref）必然减小。由于UIA为反相放大器，因此其输出电压Ub=（R5/R4）×Ua必然升高，从而通过调整环节使US升高恢复到原来的稳定值，保证了US的电压稳定，从而使电流稳定。当Uin升高时，原理与前类同，电路通过闭环反馈系统使US下降到原来的稳定值，从而使电流恒定。调整RW，则改变Uref，可使电流值在0～4A之间连续可调。

采用开关电源的开关恒流源电路构成如图2.3.2所示。BG1为开关管，BG2为驱动管， RL为负载电阻， RS为取样电 阻， SG35 24为脉宽调制控制器， L1、E2、E3、E4为储能元件， RW提供基准电压Uref。图采用开关电源的开关恒流源工作原理：减小开关器件的导通损耗和开关损耗是提高电路效率的关键。为此，器件选择饱和压降小、频率特性好的开关三极管和肖特基续流二极管。

扼流圈L1的磁芯上再绕一个附加线圈，利用电磁反馈降低开关三极管的饱和压降，并采用合理的结构设计，使电路的分布参数得到有效的控制。当电源电压降低或负载电阻RL 降低时，则取样电阻RS 上的电压也将减少，则SG3524的12、13管脚输出方波的占空比增大，从而使BG1导通时间变长，使电压U0回升到原来的稳定值。BG1关断后，储能元件L1、E2、E3、E4保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起U0增大时，原理与前类同，电路通过闭环反馈系统使U0下降到原来的稳定值，从而达到稳定负载电流IL 的目的。

三、采用集成稳压器构成的开关恒流源

采用集成稳压器构成的开关恒流源 电路构成如图所示。MC7805为三端固定式集成稳压器，RL 为负载电阻，RW为可调电阻器。工作原理：固定式集成稳压器工作在悬浮状态，在输出端2和公共端3之间接入一电位器RW，从而形成一固定恒流源。调节RW，可以改变电流的大小，其输出电流为：IL=（ Uout/RW） +Iq式中Iq 为MC7805的静态电流，小于10m A。当RW较小即输出电流较大时，可以忽略Iq。当负载电阻RL 变化时，MC7 8 05用改变自身压差来维持通过负载的电流不变。

RW 的确定：RW 的值可由RW=Uout/IL 确定。因Uout=5 V，IL=0.5～2A，因此确定的取值范围为2.5～10Ω。输出电压和负载变化范围的确定：根据设计要求，本例的输出电压U0=10V。由于恒流源的输出电流可调范围为0.5～2A，因此相应的负载变化范围为5～20Ω。以上几种恒流源结构简单，可靠性高，调整方便，在科研中已得到了应用。其中线性恒流源适用于蓄电池的恒流放电，开关恒流源适用于蓄电池的恒流充电，集成稳压器构成的恒流源适用于电阻测量等。

四、压控恒流源电路设计

压控恒流源电路设计 压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。采用如下电路：电路原理图如图2.4.3所示。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成1、硬件设计。

电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。在此电路中，R2为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为0.35欧。运放采用OP-07作为电压跟随器， UI=Up=Un，场效应管Id=Is（栅极电流相对很小，可忽略不计） 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2，电路输入电压UI控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化， 从而实现压控恒流。同时，由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U〈=10V，Iomax=2A，可以得出负载电阻RLmax=5欧。

五、电源电路设计

本系统对电源有较高的要求。设计电源时既要保证电源的高稳定度，也要保证电源能输出大于2A的电流，故本系统采用三级管1264来扩流而且在使用电源时必须充分考虑电源的效率。电源电路如图所示，此电源电路采用了LM317和LM337，其输出电压是连续可调的，输出电压调到为＋15V和－15V来供给硬件电路使用，其中－15V的电源是供运放使用的，不需要扩流；而＋15V的电源的负载电流要求不低于2A，所以采用三级1264来扩流。另外用LM7805产生＋5V的电压供凌阳SPCE061A单片机使用。

线性恒流源、开关恒流源，可靠性高，调整方便，在科研中已得到了应用。其中线性恒流源适用于蓄电池的恒流放电，开关恒流源适用于蓄电池的恒流充电，集成稳压器构成的恒流源适用于电阻测量等。SPCE061A单片机作为中央控制器，本系统有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点。本系统最小可步进1mA ，精度也比较高。输出电流范围较宽。，硬件部分中采样电阻的热稳定性要较好，硬件中的核心模块为压控恒流源，其核心元件采用场效应管其性能和稳定性均高于三极管

恒流源设计参考方案

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一.恒流源概述

恒流源是指在功率范围内，对外输出的电流基本是恒定的。

二.恒流源特点

三.恒流源应用

在LED驱动电路中常见恒流源驱动。 由于在电路中给LED供电的电源电压不同， 以及LED正向电压的不同，为了确保LED最佳的性能和长久的工作寿命，就需要一个有效的恒流源驱动电路，而不是传统DC/DC 的恒压控制。通常可采用一个电流检测电阻反馈LED电流来实现其恒流控制，从而使LED的正向电流保持一定。

有时电路中给LED供电的电源是电池，通常一节锂电池的电压是在4.2V到3V之间变化的，如果不用恒流源，只用一个三极管来驱动LED，那么随着电池电压慢慢地降低，流过LED的电流也慢慢地变小，亮度也就会越来越暗。但是如果电路中是用3.3V或者5V供电，即使不用恒流源供电，也不会出现这个问题。

四.恒流源设计

1.稳压管恒流电路

（1） 下图利用稳压二极管的稳压特性设计的一种稳压管恒流电路。

分析： 稳压二极管的恒流电路中，三极管Q1的基级电压被限定在稳压二极管工作的稳定电压Uzd下，因此R3电阻的电压等于Uzd减去三极管基级与发射级的导通压降0.7V，即U=Uzd-0.7保持恒定不变，所以流过R3电阻的电流在VCC电源即使可变的条件下也是固定不变，即流过R1负载的电流保持不变，达到恒流的效果。

注意： 需要根据自己所需要电流大小，选择合适的采样电阻以及考虑三极管和稳压管的参数（需要考虑三极管的集电极电压和稳压管的稳压值）。集电极电压Ucmax 它是允许加在三极管集电结上的最大反向电压。使用时不能超过这个最大值，否则集电结在过大的反向电压作用下，形成很强的电场，使集电极反向电流急剧增加，严重时会导致三极管的损坏；

（2）下图利用二极管的导通电压为0.6~0.7V这个特性设计的一种二极管恒流电路。

分析： 当单片机的GPIO口给高电平时，三极管Q1导通，二极管D1和D2导通（D1和D2导通压降为0.6~0.7V），因此R3电阻的电压等于1.4V（D1和D2压降之和）减去三极管基级与发射级的导通压降0.7V，即U=0.7V保持恒定不变，所以流过R3电阻的电流在VCC电源即使可变的条件下也是固定不变，即流过R1负载的电流保持不变，达到恒流的效果。

注意： 需要根据自己所需要电流大小，选择合适的采样电阻和二极管。一般二极管恒流电路相比稳压管恒流电路功耗要偏低。

2.三极管恒流电路

下图利用Q2三极管的基级导通电压为0.6~0.7V这个特性设计的三极管恒流源电路。

分析 ： 当GPIO口给高电平时，三极管Q1是一个NPN管，就会导通，同时Q2就会导通。当Q2三极管导通，Q1三极管基级电压被拉低而截止，负载R1不工作，Q2没有电流流过，Q2基极电压下拉到地，Q2截止，Q1基极被释放，Q1又重新导通。如此反复循环工作，最终电路中的电流稳定在0.7/R3（忽略Q1与Q2三极管的基级电流），无论电源电压VCC怎么变化，电流一直恒定不变。

注意 ：R3阻值根据自己需要电流的大小来选取合适的值。

3.运放恒流电路

下图是由运放和三极管组成的恒流源电路，电流可调。用运放设计的恒流源电路引入了反馈，相比三极管式的恒流源，运放式的恒流源有足够的精度和可调性。

分析 ：利用运放的“虚短”特性，同相电压=反相电压。同时电路中反相输入端又接一电阻R4至地。当在电阻R2输入VIN稳定电源电压时，电阻R4两端的电压也为VIN不变，因此无论外界电路如何变化，流过R4电阻的电流是不变的；同三极管恒流电路原理分析一样，R1负载的电流等于R4电阻的电流，所以即使R1负载的电源为可变电压电源，R1负载的电流也是保持固定不变，达到恒流的效果。

注意 ：三极管Q1为NPN类型，使用时根据实际电压、电流的要求选择合适的三极管，若功率大需考虑散热的要求，做好散热措施。

虽然，三极管发射极电流与集电极电流近似相等，但实际上，发射极的电流还包含了基极电流。可以看出，运放输出级使用三极管时，输出电流会产生基极电流分量这一误差。如果此时不满足电路精度要求，可将三极管改成MOSFET管。

分析 ：分析同上，MOSFET管属于压控器件，栅极需要的电流很小。Iout和Is可以非常的接近，相比三极管而言，电流的精度提升了。

注意 ：运放式的恒流源虽然优点明显，缺点也明显。运放的VIN电源需要用户额外提供。同时需要根据自己的需要选择合适的运放。

4.LDO恒流电路

下图利用LDO输入电流等于输出电流的特性设计的一款恒流源电路。

分析 ：通过LD0输入电流等于输出电流的特性，使流过负载R1的电流等于流过电阻R2的电流，电流大小为：Iout=V/R2。其中V是稳压芯片的稳压值。（本例中V为3.3V）

注意 ：可变电源要满足稳压芯片的输入电压范围，否则稳压芯片无法工作。

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