CN102723868A - 恒流源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒流源，包括控制系统、直流-直流开关电源模块、线性电源模块以及外部接口模块；直流-直流电源转化模块用于为直流-直流开关电源模块和线性电源模块提供稳定的直流电源；主控模块用于控制模拟开关在内部控制和外部控制状态间切换，还用于通过数模变换模块设置直流-直流开关电源模块的输出电压和输出电流，以及用于通过模数变化模块采集负载输出正端和负载输出负端的电压。本发明即便负载为额定电流时，也能够保证线性电源模块中功率MOSFET的源极与栅极的压差（Vds）尽量小，从而能够获得较低的发热量，减小了散热器及整个设备的体积，实现了集成模块化的中大功率的快速自适应恒流源。

Description

恒流源

技术领域

本发明涉及调节电流的系统，特别是涉及一种恒流源。

背景技术

目前恒流源已经广泛应用于光电、航天、机器人、通讯、医疗等领域。而大中功率恒流源中，当今应用的DC-DC恒流源的类型主要是DC-DC开关恒流源和线性恒流源两种。

DC-DC开关恒流源能够自适应供给外部负载电压，通过开关模式减少在功率MOS上的功率损耗，因此转化效率高、体积小，但其响应速度慢，一般最快的也是毫秒级。

线性恒流源因工作原理的原因，不能自动调节供给负载的电压，故外部供给的电源能量全部消耗在功率MOS和负载上，所以当大电流时，功率MOS管上的压降也大，承受的功率也大，因此其发热量较大，需要足够大的散热器，从而体积庞大，但响应速度快。

当恒流源应用于激光打印中的打标灰度、图层切换等应用时，需要恒流源有极快的响应速度。而在系统应用上，设备空间有限，难以加装大体积的散热器，外部所接的负载也不是定值。针对这种情况，我们有必要一种响应快，体积小的自适应的快速响应恒流源电源。

发明内容

基于此，有必要针对传统的恒流源不能兼顾高响应速度和低发热量的问题，提供一种响应快，发热小的自适应恒流源。

一种恒流源，包括控制系统、直流-直流开关电源模块、线性电源模块以及外部接口模块；所述外部接口模块包括外部电源端口、地线端口、负载输出正端、负载输出负端以及信号端口，所述外部电源端口连接所述控制系统，所述负载输出正端连接所述直流-直流开关电源模块的输出端，所述负载输出负端均连接所述线性电源模块的输出端；所述控制系统包括直流-直流电源转化模块、主控模块、模拟开关、数模变换模块及模数变换模块，所述直流-直流电源转化模块连接所述直流-直流开关电源模块和线性电源模块，用于为所述直流-直流开关电源模块和线性电源模块提供稳定的直流电源；所述主控模块连接所述模拟开关、数模变换模块及模数变换模块，所述模拟开关连接所述直流-直流开关电源模块、线性电源模块、数模变换模块及信号端口，所述模数变换模块连接所述线性电源模块、负载输出正端及负载输出负端；所述主控模块用于控制所述模拟开关在内部控制和外部控制状态间切换，还用于通过所述数模变换模块设置所述直流-直流开关电源模块的输出电压和输出电流，以及用于通过所述模数变化模块采集所述负载输出正端和负载输出负端的电压。

在其中一个实施例中，所述直流-直流开关电源模块包括双路输出同步直流-直流控制器、运算放大器OP201、电阻R201、电阻R202、NMOSFET Q201、NMOSFET Q202、电感L201以及电容C201，所述双路输出同步直流-直流控制器的RUN端口连接所述模拟开关，所述双路输出同步直流-直流控制器的VFB端口通过所述电阻R202连接所述运算放大器OP201的输出端，且所述VFB端口通过所述电阻R201连接所述负载输出正端，所述双路输出同步直流-直流控制器的TG端口连接所述NMOSFET Q201的栅极，所述双路输出同步直流-直流控制器的BG端口连接所述NMOSFET Q202的栅极，所述双路输出同步直流-直流控制器的SW端口连接所述NMOSFET Q201的源极和所述NMOSFET Q202的漏极；所述运算放大器OP201的同相输入端连接所述模拟开关，所述运算放大器OP201的反相输入端连接电阻R202连接所述运算放大器OP201输出端的一端，所述NMOSFET Q201的漏极连接所述外部电源端口，所述NMOSFETQ202的源极接地，所述NMOSFET Q201的源极和所述NMOSFET Q202的漏极通过所述电感L201连接所述电容C201的一端和所述负载输出正端，所述电容C201的另一端接地。

在其中一个实施例中，所述线性电源模块包括电流检测单元、运算放大器OP301、电阻R301、电阻R302以及NMOSFET Q301，所述运算放大器OP301的同相输入端连接所述模拟开关，所述运算放大器OP301的反相输入端连接所述模数变换模块，所述运算放大器OP301的反相输入端还通过所述电阻R302连接所述电流检测单元，所述运算放大器OP301的输出端通过所述电阻R301连接所述NMOSFET Q301的栅极，所述NMOSFET Q301的源极通过所述电流检测单元接地，所述NMOSFET Q301的漏极连接所述负载输出负端。

在其中一个实施例中，所述电流检测单元包括电流霍尔传感器。

在其中一个实施例中，所述模数变换模块还用于将电流检测单元检测到的电流转换成数字量并传输给所述主控模块。

在其中一个实施例中，所述主控模块包括单片机。

在其中一个实施例中，还包括接于负载输出正端和负载输出负端之间的电阻R203。

上述恒流源，在上电初始化时主控模块通过模拟开关将恒流源切换为内部控制状态，通过数模变换模块分别给定直流-直流开关电源模块两个较小的电流值（例如6A和3A），再通过模数变换模块对负载两端的两次电压进行采样，由主控模块通过采集到的两次电压计算出当前外接负载的电阻值，然后通过数模变换模块设置好在负载所需的额定电流下直流-直流开关电源模块的输出电压，同时主控模块通过模拟开关由内部控制切换到外部控制状态。这样即便负载为最大电流（即额定电流）时，也能够保证线性电源模块中功率MOSFET的源极与栅极的压差（Vds）尽量小，从而能够获得较低的发热量，减小了散热器及整个设备的体积，实现了集成模块化的中大功率的快速自适应恒流源。

附图说明

图1是一实施例中恒流源的电路原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1是一实施例中恒流源的电路原理框图。恒流源包括控制系统100、直流-直流（DC-DC）开关电源模块200、线性电源模块300以及外部接口模块400。

外部接口模块400包括外部电源端口VDD、地线端口GND、负载输出正端VoutH、负载输出负端VoutL以及信号端口401。外部电源端口VDD连接控制系统100，负载输出正端VoutH连接直流-直流开关电源模块200的输出端，负载输出负端VoutL连接线性电源模块300的输出端。信号端口401用于接收来自恒流源外部的使能信号、模拟调节信号以及其它系统报警信号。

控制系统100包括直流-直流（DC-DC）电源转化模块101、主控模块102、数模变换模块103、模拟开关104及模数变换模块105。直流-直流电源转化模块101连接直流-直流开关电源模块200和线性电源模块300，用于为直流-直流开关电源模块200和线性电源模块300提供稳定的直流电源。

主控模块102连接模拟开关104、数模变换模块103及模数变换模块105，模拟开关104连接直流-直流开关电源模块200、线性电源模块300、数模变换模块103及信号端口401。模数变换模块105连接线性电源模块300、负载输出正端VoutH及负载输出负端VoutL。

主控模块102用于控制模拟开关104在内部控制和外部控制状态间切换，还用于通过数模变换模块103设置直流-直流开关电源模块200的输出电压和输出电流（即负载输出正端VoutH的输出电压和输出电流），以及用于通过模数变化模块105采集负载输出正端VoutH和负载输出负端VoutL的电压。

在其中一个实施例中，主控模块102采用单片机，实现对恒流源中所有数据及信号的有效控制。

上述恒流源，在上电初始化时主控模块102通过模拟开关104将恒流源切换为内部控制状态，通过数模变换模块103分别给定直流-直流开关电源模块200两个较小的电流值（例如6A和3A），再通过模数变换模块105对负载两端（即负载输出正端VoutH和负载输出负端VoutL）的两次电压（即在6A和3A下的电压）进行采样，由主控模块102通过采集到的两次电压计算出当前外接负载的电阻值，然后通过数模变换模块103设置好在负载所需的额定电流下直流-直流开关电源模块200的输出电压，同时主控模块102通过模拟开关104由内部控制切换到外部控制状态。这样即便负载为最大电流（即额定电流）时，也能够保证线性电源模块300中功率MOSFET的源极与栅极的压差（Vds）尽量小（即维持该MOSFET工作在线性区的情况下的一个尽量小的Vds），从而能够获得较低的发热量，减小了散热器及整个设备的体积，实现了集成模块化的中大功率的快速自适应恒流源。

在图1所示实施例中，直流-直流开关电源模块200包括双路输出同步直流-直流控制器201、运算放大器OP201、电阻R201、电阻R202、NMOSFET Q201、NMOSFET Q202、电感L201以及电容C201。

双路输出同步直流-直流控制器201的RUN端口连接模拟开关104，双路输出同步直流-直流控制器201的VFB端口通过电阻R202连接运算放大器OP201的输出端，且VFB端口通过电阻R201连接负载输出正端VoutH，双路输出同步直流-直流控制器201的TG端口连接NMOSFET Q201的栅极，双路输出同步直流-直流控制器201的BG端口连接NMOSFET Q202的栅极，双路输出同步直流-直流控制器201的SW端口连接NMOSFET Q201的源极和NMOSFET Q202的漏极。运算放大器OP201的同相输入端连接模拟开关104，运算放大器OP201的反相输入端连接电阻R202连接运算放大器OP201输出端的一端，NMOSFETQ201的漏极连接外部电源端口VDD，NMOSFET Q202的源极接地，NMOSFETQ201的源极和NMOSFET Q202的漏极通过电感L201连接电容C201的一端和负载输出正端VoutH，电容C201的另一端接地。

在本实施例中，双路输出同步直流-直流控制器201的输出电压可调，调节范围为0~6.0V。双路输出同步直流-直流控制器201可以采用LTC3858-1，或者其它能够实现相应功能的芯片。

线性电源模块300包括电流检测单元301、运算放大器OP301、电阻R301、电阻R302以及NMOSFET Q301，NMOSFET Q301是一个功率MOSFET。

运算放大器OP301的同相输入端连接模拟开关104，运算放大器OP301的反相输入端连接模数变换模块105，运算放大器OP301的反相输入端还通过电阻R302连接电流检测单元301，运算放大器OP301的输出端通过电阻R301连接NMOSFET Q301的栅极，NMOSFET Q301的源极通过电流检测单元301接地，NMOSFET Q301的漏极连接负载输出负端VoutL。

在图1所示实施例中，电流检测单元301采用电流霍尔传感器，线性电源模块300通过运算放大器OP301的负反馈应用，使得NMOSFET Q301工作在线性区，实现线性电源。

在图1所示实施例中，恒流源还包括接于负载输出正端VoutH和负载输出负端VoutL之间的电阻R203。负载输出正端VoutH和负载输出负端VoutL分别是两孔为M4和M6的接线螺柱，其信号接口为DB9头。

下面介绍本发明恒流源的工作原理：

在使用时，外部接口模块400分别与相应的接口连接好，在一个实施例中，外部电源端口VDD和地线端口GND分别与外部12V/25A开关电源的正负相连。负载输出正端VoutH和负载输出负端VoutL分别与负载连接。在本实施例中负载为激光器二极管D000~D00n，通过负载输出正端VoutH和负载输出负端VoutL的输出使激光器二极管正向导通。

外部接口模块400连接好后开始上电，外部电源端口VDD输入的电流经过控制系统100中的直流-直流电源转化模块101转化为各模块所需要的稳定直流电源，主控模块102中的单片机得电开始初始化程序，主控模块102控制模拟开关104，使之切换至内部控制状态，模拟开关104使能双路输出同步直流-直流控制器201的RUN端口，直流-直流开关电源模块200开始工作。在本实施例中，直流-直流开关电源模块200的额定输出电压电流值是6V/50A，其中端口VFB的电压值VFB=0.8V，则有下式：

$\frac{\mathrm{VoutH}-\mathrm{Vset}}{R201+R202}=\frac{0.8-\mathrm{Vset}}{R202}$ （式1）

得：

$\mathrm{VoutH}=0.8-(1+\frac{R201}{R202})-V_{\mathrm{set}}*\frac{R201}{R202}$

（式2）

其中Vset为运算放大器OP201的输出端的电压，单片机初始化时，Vset=0，所以负载输出正端VoutH的输出电压为：

$\mathrm{VoutH}=0.8*(1+\frac{R201}{R202})$

（式3）

在本实施例中VoutH＝6.0V，所以得：R201/R202=6.5。因此在本实施例中，电阻R201的阻值应为电阻R202的6.5倍。

在实际应用中，因外接的激光器二极管个数以及导线的长短不定，那么初始化时需对负载进行计算，得出负载在额定电流下所需的电压值，以使线性电源模块300中NMOSFET Q301的Vds控制在预想值。在本实施例中，设置的Vds预想值为0.5V，因为Vds为0.5V时，负载在额定电流下NMOSFET Q301上损耗的功率为：0.5V*50A=25W，所以只要一个小的散热器就能把NMOSFETQ301冷却下来。根据MOS管的特性，Vds=0.5V时工作在线性区，不会影响其响应速度，因此响应速度相对较快。在其它实施例中，也可以根据实际情况及选用的功率MOSFET的参数，设定Vds的预想值。

在本实施例中，初始化时分别给定输出电流I1、I2（即负载输出正端VoutH的输出电流）为6A、3A，因此可得下式：

VoutH1-VoutL1＝Vld1+I1*RLoad    （式4）

VoutH2-VoutL2＝Vld2+I2*RLoad    （式5）

其中VoutH1，VoutH2分别是输出电流在6A、3A时负载输出正端VoutH的输出额定电压值，它们的值都为6.0V；VoutL1，VoutL2分别是输出电流在6A、3A时负载输出负端VoutL的电压值（亦即Vds值）；Vld1，Vld2分别是输出电流在6A、3A时外接的激光器二极管的压降，而根据激光器二极管的电气特性，在3A、6A时激光器二极管的电压值近似相等（即可以认为Vld1=Vld2）；RLoad为外部所接的导线线阻值。

（式4）-（式5）得：

$\mathrm{RLoad}=\frac{\mathrm{VoutL}2-\mathrm{VoutL}1}{3}$ (式6)

式6中VoutL1，VoutL2的电压值由模数变换模块105采集并进行模数变换后传输给主控模块102，再由主控模块102中的单片机计算出此时外部负载的线阻值RLoad。同时根据式4（或者式5）：

Vld=(VoutH-VoutL)-I*RLoad    （式7）

由Vld可以得出激光器二极管的个数，或者判断出此时是空载或短路等情况，从而可以计算出此时负载在额定电流下所需的输出电压。在本实施例中，负载的额定电流为50A，所以有下式：

VoutH＝50*Rload+1.75Nld+VoutL50Amax    (式8)

其中50*RLoad是负载电流50A时外部线阻的压降，1.75*Nld表示外部激光器二极管的压降，1.75是根据激光器二极管的电气特性得到的（采用不同的激光器二极管时该值会有变化），即在电流50A时每个激光器二极管上的电压值为1.75V，Nld为激光器二极管的个数，在本实施例中最大个数为2个。VoutL50Amax为负载输出负端VoutL在额定电流时的电压值，即为线性电源模块300中NMOSFET Q301的Vds的值0.5V，这样式7中VoutH就能确定了（单片机可以根据式7计算出VoutH）。主控模块102再通过数模变换模块103进行模拟量设置，可以设置Vset的值使得VoutH符合式7。

综上所述，恒流源根据外接的负载，完成了自适应恒流源的功能。主控模块102初始化完成后，再控制模拟开关104由内部控制切换到外部控制状态，通过信号端口401对恒流源进行控制，从而实现了一种集成度高，体积小，使用灵活的自适应的快速响应恒流源电源。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种恒流源，其特征在于，包括控制系统、直流-直流开关电源模块、线性电源模块以及外部接口模块；

所述外部接口模块包括外部电源端口、地线端口、负载输出正端、负载输出负端以及信号端口，所述外部电源端口连接所述控制系统，所述负载输出正端连接所述直流-直流开关电源模块的输出端，所述负载输出负端均连接所述线性电源模块的输出端；

所述控制系统包括直流-直流电源转化模块、主控模块、模拟开关、数模变换模块及模数变换模块，所述直流-直流电源转化模块连接所述直流-直流开关电源模块和线性电源模块，用于为所述直流-直流开关电源模块和线性电源模块提供稳定的直流电源；

所述主控模块连接所述模拟开关、数模变换模块及模数变换模块，所述模拟开关连接所述直流-直流开关电源模块、线性电源模块、数模变换模块及信号端口，所述模数变换模块连接所述线性电源模块、负载输出正端及负载输出负端；

所述主控模块用于控制所述模拟开关在内部控制和外部控制状态间切换，还用于通过所述数模变换模块设置所述直流-直流开关电源模块的输出电压和输出电流，以及用于通过所述模数变化模块采集所述负载输出正端和负载输出负端的电压。

2.根据权利要求1所述的恒流源，其特征在于，所述直流-直流开关电源模块包括双路输出同步直流-直流控制器、运算放大器OP201、电阻R201、电阻R202、NMOSFET Q201、NMOSFET Q202、电感L201以及电容C201，

所述双路输出同步直流-直流控制器的RUN端口连接所述模拟开关，所述双路输出同步直流-直流控制器的VFB端口通过所述电阻R202连接所述运算放大器OP201的输出端，且所述VFB端口通过所述电阻R201连接所述负载输出正端，所述双路输出同步直流-直流控制器的TG端口连接所述NMOSFET Q201的栅极，所述双路输出同步直流-直流控制器的BG端口连接所述NMOSFETQ202的栅极，所述双路输出同步直流-直流控制器的SW端口连接所述NMOSFET Q201的源极和所述NMOSFET Q202的漏极；所述运算放大器OP201的同相输入端连接所述模拟开关，所述运算放大器OP201的反相输入端连接电阻R202连接所述运算放大器OP201输出端的一端，所述NMOSFET Q201的漏极连接所述外部电源端口，所述NMOSFET Q202的源极接地，所述NMOSFETQ201的源极和所述NMOSFET Q202的漏极通过所述电感L201连接所述电容C201的一端和所述负载输出正端，所述电容C201的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的恒流源，其特征在于，所述线性电源模块包括电流检测单元、运算放大器OP301、电阻R301、电阻R302以及NMOSFET Q301，

所述运算放大器OP301的同相输入端连接所述模拟开关，所述运算放大器OP301的反相输入端连接所述模数变换模块，所述运算放大器OP301的反相输入端还通过所述电阻R302连接所述电流检测单元，所述运算放大器OP301的输出端通过所述电阻R301连接所述NMOSFET Q301的栅极，所述NMOSFETQ301的源极通过所述电流检测单元接地，所述NMOSFET Q301的漏极连接所述负载输出负端。

4.根据权利要求3所述的恒流源，其特征在于，所述电流检测单元包括电流霍尔传感器。

5.根据权利要求3所述的恒流源，其特征在于，所述模数变换模块还用于将电流检测单元检测到的电流转换成数字量并传输给所述主控模块。

6.根据权利要求1所述的恒流源，其特征在于，所述主控模块包括单片机。

7.根据权利要求1所述的恒流源，其特征在于，还包括接于负载输出正端和负载输出负端之间的电阻R203。

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