CN104102263A - 一种带电流监测的恒流源电路 - Google Patents

Abstract

一种带电流监测的恒流源电路，包括基本恒流源电路、电流检测电路、电压调理电路、比较电路、信号保持电路、供电控制电路、电源变换电路。电源变换电路为其它电路提供工作电压。电流检测电路将基本恒流源电路的输出电流转换为电压信号提供给电压调理电路。电压调理电路对电压信号调整后输出给比较电路。比较电路对调理后的电压与设定电压进行比较，并给信号保持电路发出接通或断电控制信号，信号保持电路将该信号输出给供电控制电路，供电控制电路控制电源变换电路对基本恒流源电路的供电或断电。该电路实现了对恒流源输出电流的实时监测，可在输出电流超过设定值时切断恒流源的供电，从而关闭恒流源输出电流，避免对用电设备造成危害。

Description

一种带电流监测的恒流源电路

技术领域

本发明属于恒流源电路领域，具体地，涉及一种带电流监测的恒流源电路。

背景技术

恒流源电路广泛应用于通路检测、充电电路、器件测量等领域，在《恒流源及其应用电路》(陈凯良、竺树声编著，浙江科学技术出版社出版，1992年)中对各种类型的恒流源电路进行了介绍，双极型晶体管恒流源电路是其中的一种，它由晶体管、稳压管、电阻等构成，结构简单，应用广泛。在名称为“用于GPS设备的恒流源电路”(中国专利申请号：201220728351)和名称为“测温电路用恒流源”(中国专利申请号201210535034)中分别介绍了该类电路在GPS设备和测温设备中的应用。然而，上述文献中所使用的恒流源在工作时对输出电流不能实时地进行监测，如果因器件故障导致恒流源输出电流偏离设计值，当输出电流比设计值偏大时仍持续对用电设备施加电流，在对电流敏感的应用场合，如器件测量、充电电路等，则会对用电设备造成损害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中的不足，提供一种带电流监测的恒流源电路，当电流输出异常时，可切断恒流源的供电，避免对用电设备造成损害。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种带电流监测的恒流源电路，包括：基本恒流源电路、电流检测电路、电压调理电路、比较电路、信号保持电路、供电控制电路、以及电源变换电路，其中：

所述电源变换电路接收外部的供电，并将外部的供电变换为所述基本恒流源电路、电流检测电路、电压调理电路、比较电路、信号保持电路、以及供电控制电路工作所需的电压，并为所述比较电路提供参考电压；

所述电流检测电路串接在所述基本恒流源电路的输出端与用电设备之间，其自所述电源变换电路处获得工作所需的电压；接收来自所述基本恒流源电路的输出电流，对所述基本恒流源电路的输出电流进行实时检测，并将所述基本恒流源电路的输出电流转换为电压信号提供给所述电压调理电路；

所述电压调理电路自所述电源变换电路处获得工作所需的电压；将所述电流检测电路输出的电压信号调整至合适的范围之后输出给所述比较电路；

所述比较电路自所述电源变换电路处获得工作所需的电压和参考电压；将参考电压转换为预设的设定电压，并将经所述电压调理电路调理后的电压与该设定电压进行比较，并根据比较结果输出相应的控制信号给所述信号保持电路；

所述信号保持电路自所述电源变换电路处获得工作所需的电压；对来自所述比较电路的控制信号进行保持或锁存处理后，将该控制信号输出至所述供电控制电路；并且所述信号保持电路采用上电复位形式对自身的电路进行清零，从而保证自己的电路具有确定的工作状态；

所述供电控制电路接收所述电源变换电路的供电电压和所述信号保持电路的控制信号；根据所述信号保持电路输出的该控制信号实现所述基本恒流源电路与所述电源变换电路输出的供电电压之间的连通或断开；

所述基本恒流源电路在所述供电控制电路的供断电控制下连通至所述电源变换电路或者断开与所述电源变换电路的电压连接，从而输出电流或者不输出电流；并且，

如果经所述电压调理电路调理后的电压比设定电压小，所述比较电路则输出接通信号，所述信号保持电路收到接通信号后保持该接通信号，并将接通信号输出给所述供电控制电路，所述供电控制电路据以接通所述电源变换电路对所述基本恒流源电路的供电，使得所述基本恒流源电路输出电流；如果经所述电压调理电路调理后的电压超过了设定电压，所述比较电路则输出断电信号至所述信号保持电路，所述信号保持电路锁存断电信号之后，将断电信号输出给所述供电控制电路，所述供电控制电路据以断开所述电源变换电路对所述基本恒流源电路的供电，使得所述基本恒流源电路不输出电流，从而实现电流输出异常时的断电控制。

进一步地，所述基本恒流源电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第九电容、稳压二极管、第一三极管、以及第二三极管，其中，第一电阻的一端与稳压二极管的正端并联连接在一起作为所述基本恒流源电路的供电输入端连接至所述供电控制电路，第一电阻的另一端连接第二三极管的发射极，第二三极管的基极连接第一三极管的发射极，第二三极管的集电极作为所述基本恒流源电路的输出端连接至所述电流检测电路；第二电阻的一端与第三电阻的一端并联连接至稳压二极管的负端，第二电阻的另一端连接第一三极管的基极，第一三极管的集电极连接第九电容的一端，第九电容的另一端接地，第三电阻的另一端也接地。

进一步地，所述电流检测电路包括第一电流传感器和第七电容，其中，第一电流传感器的电流输入端作为所述电流检测电路的输入端连接所述基本恒流源电路的输出端；第一电流传感器的电流输出端连接用电设备；第一电流传感器的电压输出端作为所述电流检测电路的输出端；第一电流传感器的接地端接地；第七电容串联在第一电流传感器的供电端与地之间，并且第一电流传感器的供电端连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得5V的工作电压。

进一步地，所述电压调理电路包括一级跟随电路和两级放大电路，其中，跟随电路包括第一运算放大器和第八电容；第一级放大电路包括第二运算放大器、第四电阻、第五电阻、及第六电阻；并且第二级放大电路包括第三运算放大器、第七电阻、第八电阻、及第九电阻；具体地：第一运算放大器的同相输入端作为所述电压调理电路的输入端连接所述电流检测电路的输出端，第一运算放大器的反相输入端与其输出端共同连接至第四电阻的一端，而第一运算放大器的供电端与第八电容的一端共同连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得5V的工作电压，第一运算放大器的接地端接地，并且第八电容的另一端接地；第四电阻的另一端连接至第二运算放大器的同相输入端；第二运算放大器的反相输入端与第六电阻的一端并联连接在一起，并通过第五电阻连接至地；第六电阻的另一端与第二运算放大器的输出端并联连接至第七电阻的一端；第七电阻的另一端连接至第三运算放大器的同相输入端；第三运算放大器的反相输入端与第九电阻的一端并联连接至第八电阻的一端，第三运算放大器的输出端与第九电阻的另一端并联连接在一起，作为所述电压调理电路的输出端；并且第八电阻的另一端接地。

进一步地，所述比较电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第十电容、第四运算放大器和比较器，其中，比较器的正输入端作为所述比较电路的第一输入端连接所述电压调理电路的输出端；比较器的负输入端连接第四运算放大器的反相输入端和输出端；比较器的接地端接地，并且第十电容串联连接在比较器的供电端与地之间；比较器的输出端作为所述比较电路的输出端，并且比较器的供电端连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得5V的工作电压；第四运算放大器的同相输入端连接在第一分压电阻和第二分压电阻之间；第一分压电阻和第二分压电阻组成分压电路，第一分压电阻的未连接第四运算放大器的另一端作为所述比较电路的第二输入端连接至所述电源变换电路的输出端，以便从所述电源变换电路获得5V的参考电压，并且第二分压电阻的未连接第四运算放大器的另一端接地。

进一步地，所述信号保持电路包括D触发器、第一施密特触发器、第二施密特触发器、电阻、以及电容，其中，

D触发器的时钟输入端作为所述信号保持电路的输入端连接至所述比较电路的输出端，D触发器的D端和SD端共同连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得5V的工作电压，D触发器的Q端作为所述信号保持电路(5)的第一输出端，D触发器的端悬置，并且D触发器的CD端连接第二施密特触发器的输出端；第二施密特触发器的输入端连接至第一施密特触发器的输出端；电阻R_-rst的一端连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得5V的工作电压，其另一端连接至电容C_-rst的一端；电容C_-rst的另一端接地；第一施密特触发器的输入端连接在电阻R_-rst与电容C_-rst之间，第一施密特触发器的输出端作为所述信号保持电路的第二输出端。

进一步地，所述供电控制电路包括或非门和固态继电器，其中，或非门的两个输入端均连接至所述信号保持电路，以从所述信号保持电路获得相应的控制信号，或非门的输出端连接至固态继电器的控制负端；固态继电器的控制正端连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得5V的工作电压，固态继电器的负载正端连接至所述电源变换电路，以从所述电源变换电路处获得12V的工作电压，固态继电器的负载负端作为所述供电控制电路的输出端连接所述基本恒流源电路的供电输入端，并且固态继电器的负载负端和负载正端之间为常闭触点。

进一步地，所述电源变换电路包括12V输出电路、5V输出电路和参考电压输出电路，其中，12V输出电路包括第一三端稳压器、第一电容、以及第二电容，并且其中，第一三端稳压器的输入端连接15V的供电电压，其输出端作为所述电源变换电路的第一输出端连接至所述供电控制电路，以通过所述供电控制电路为所述基本恒流源电路提供12V的工作电压；第一电容连接在第一三端稳压器的输入端与地之间；第二电容连接在第一三端稳压器的输出端与地之间；5V输出电路包括第二三端稳压器、第三电容、以及第四电容；并且其中，第二三端稳压器的输入端连接15V的供电电压，其输出端作为所述电源变换电路的第二输出端分别连接至所述电流检测电路、电压调理电路、比较电路、信号保持电路和供电控制电路，以分别为所述电流检测电路、电压调理电路、比较电路、信号保持电路和供电控制电路提供5V的工作电压；第三电容连接在第二三端稳压器的输入端与地之间；第四电容连接在第二三端稳压器的输出端与地之间；参考电压输出电路包括第三三端稳压器、第五电容和第六电容，并且其中，第三三端稳压器的输出端输出稳定的5V参考电压，第三三端稳压器的输出端作为所述电源变换电路的第三输出端连接至所述比较电路，为所述比较电路提供稳定的参考电压，第三三端稳压器的输入端连接15V的供电电压；第五电容连接在第三三端稳压器的输入端与地之间；第六电容连接在第三三端稳压器的输出端与地之间。

根据本发明的带电流检测的恒流源电路具备有益的技术效果，包括：

采用根据本发明的恒流源电路，可在输出电流超过设计值上限时，立即切断恒流源供电，从而避免对用电设备造成损害。具体地：

(1)根据本发明的电路实现了对恒流源输出电流的实时监测，可在输出电流超过设定值时切断恒流源的供电，从而关闭恒流源输出电流，避免对用电设备造成危害；

(2)在根据本发明的电路中，采用固态继电器对恒流源供电进行控制，可实时接通或断开基本恒流源电路的供电，动作时间可控制在微秒级，提高了电路的安全性；

(3)在根据本发明的电路中，采用信号保持电路，可保证在恒流源断电之后对电流异常状态进行保持；

(4)在根据本发明的电路中，采用上电复位形式对信号保持电路清零，从而保证信号保持电路具有确定的工作状态，提高了电路的安全性。

附图说明

图1为根据本发明的带电流监测的恒流源电路的原理框图；以及

图2为根据本发明的带电流监测的恒流源电路的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的带电流监测的恒流源电路做进一步详细的说明。

恒流源电路在工作时，如果对输出电流进行实时监测，当输出电流异常，比设计值偏大时，立即切断恒流源供电，则可实现对用电设备的保护。

基于此，如图1所示，根据本发明的带电流监测的恒流源电路包括基本恒流源电路1、电流检测电路2、电压调理电路3、比较电路4、信号保持电路5、供电控制电路6、以及电源变换电路7。其中，电源变换电路7接收外部供电，并将外部供电变换为基本恒流源电路1、电流检测电路2、电压调理电路3、比较电路4、信号保持电路5、供电控制电路6工作所需的电压，并为比较电路4提供参考电压。电流检测电路2串接在基本恒流源电路1的输出端与用电设备之间，其自电源变换电路7获得工作所需电压，对基本恒流源电路1的输出电流进行实时检测，并将基本恒流源电路1的输出电流转换为电压信号提供给电压调理电路3。电压调理电路3自电源变换电路7获得工作所需电压，并将电流检测电路2输出的电压信号调整至合适的范围之后输出给比较电路4。比较电路4自电源变换电路7获得工作所需电压和参考电压，将参考电压转换为预设的设定电压，并将电压调理电路3调理后的电压与该预设的设定电压进行比较，根据比较结果输出相应的控制信号给信号保持电路5，由信号保持电路5保持或锁存该控制信号，并将该控制信号输出至供电控制电路6，供电控制电路6根据该控制信号控制基本恒流源电路1与电源变换电路7之间的电压供应的连通或断开。信号保持电路5采用上电复位形式对信号保持电路清零，从而保证信号保持电路具有确定的工作状态。供电控制电路6接收电源变换电路7的供电电压和信号保持电路5的控制信号，在信号保持电路5的控制作用下实现基本恒流源电路1与电源变换电路7输出的供电电压之间的接通或断开。如果经电压调理电路3调理后的电压比设定电压小，比较电路4则输出接通信号，通过信号保持电路5保持接通信号之后，将接通信号输出给供电控制电路6，由供电控制电路6接通基本恒流源电路1的供电，基本恒流源电路1输出电流；如果经电压调理电路3调理后的电压超过了预设的设定电压，比较电路4则输出断电信号至信号保持电路5，由信号保持电路5锁存断电信号之后，将断电信号输出给供电控制电路6，由供电控制电路6断开基本恒流源电路1的供电，基本恒流源电路1不输出电流，从而实现电流输出异常时的断电控制。

图2为根据本发明一个优选实施例的带电流监测的恒流源电路的示意图，结合图1和图2，该基本恒流源电路1包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第九电容C₉、稳压二极管D₁、第一三极管Q₁和第二三极管Q₂。其中，第一电阻R₁的一端与稳压二极管D₁的正端(即A引脚)并联连接在一起作为该基本恒流源电路1的供电输入端，基本恒流源电路1的供电输入端连接供电控制电路6(有关供电控制电路6的说明见下文)的输出端，第一电阻R₁的另一端连接第二三极管Q₂的发射极，第二三极管Q₂的基极连接第一三极管Q₁的发射极，第二三极管Q₂的集电极作为基本恒流源电路1的输出端；第二电阻R₂的一端与第三电阻R₃的一端并联连接至稳压二极管D₁的负端(即K引脚)，第二电阻R₂的另一端连接第一三极管Q₁的基极，第一三极管Q₁的集电极连接第九电容C₉的一端，第九电容C₉的另一端接地，第三电阻R₃的另一端也接地。

基本恒流源电路1的通电或断电由供电控制电路6控制。基本恒流源电路1的输出电流I_-o可直接提供给用电设备，在图2中以电阻R_L表示，实践中，也可以是其它形式的负载。

电流检测电路2包括第一电流传感器U₁和第七电容C₇。第一电流传感器U₁串联在基本恒流源电路1的输出端与用电设备R_L之间，即，第一电流传感器U₁的电流输入端(第1引脚，下面称I_-in端)作为该电流检测电路的输入端连接基本恒流源电路的输出端，其电流输出端(第2引脚，下面称为I_-out端)连接用电设备R_L。当电流I_-o从I_-in端流进从I_-out端流出时，第一电流传感器U₁的电压输出端V_-out端(第4引脚)作为该电流检测电路的输出端，输出与电流I_-o对应的电压V_-o，从而实现对电流I_-o的检测。第七电容C₇串联在第一电流传感器U₁的供电端VCC(第3引脚)与地之间，实现对供电电源的滤波，并且第一电流传感器U₁的供电端VCC连接至电源变换电路7的第二输出端(下面将详述)，以从电源变换电路7处获得5V的电压。电流检测电路2的输出电压V_-o提供给电压调理电路3，由电压调理电路3将其调理至合适的范围。第一电流传感器U₁的接地端GND(第5引脚)接地。

电压调理电路3包括一级跟随电路和两级放大电路。其中，跟随电路包括第一运算放大器U_2A和第八电容C₈。第一级放大电路包括第二运算放大器U_2B、第四电阻R₄、第五电阻R₅、及第六电阻R₆。第二级放大电路包括第三运算放大器U_2C、第七电阻R₇、第八电阻R₈、及第九电阻R₉。具体地，第一运算放大器U_2A的同相输入端(第3引脚)作为该电压调理电路3的输入端连接电流检测电路的输出端，第一运算放大器U_2A的反相输入端(第2引脚)与其输出端(第1引脚)共同连接至第四电阻R₄的一端，而第一运算放大器U_2A的供电端(第4引脚)与第八电容C₈的一端共同连接至电源变换电路7的第二输出端，以从电源变换电路7处获得5V的电压，第一运算放大器U_2A的接地端(第11引脚)接地，第八电容C₈的另一端接地。第四电阻R₄的另一端连接至第二运算放大器U_2B的同相输入端(第5引脚)，第二运算放大器U_2B的反相输入端(第6引脚)与第六电阻R₆的一端并联连接在一起，并通过第五电阻R₅连接至地；第六电阻R₆的另一端与第二运算放大器U_2B的输出端(第7引脚)并联连接至第七电阻R₇的一端；第七电阻R₇的另一端连接至第三运算放大器U_2C的同相输入端(第10引脚)；第三运算放大器U_2C的反相输入端(第9引脚)与第九电阻R₉的一端并联连接至第八电阻R₈的一端，第三运算放大器U_2C的输出端(第8引脚)与第九电阻R₉的另一端并联连接在一起，作为该电压调理电路3的输出端；并且第八电阻R₈的另一端接地。

上述电压调理电路3中的第一运算放大器U_2A、第二运算放大器U_2B和第三运算放大器U_2C以及下面将描述的第四运算放大器U_2D选用集成运算放大器LM124，并且，该集成运算放大器LM124采用单端5V供电。电流检测电路2的输出电压V_-o经过跟随电路之后得到电压V₁，电压V₁经过第一级放大电路后得到电压V₂，电压V₂经过第二级放大电路后得到电压V₃，电压V₃输出至比较电路4，与比较电路4中的设定电压V_-up进行比较。

比较电路4包括第一分压电阻R_A、第二分压电阻R_B、第十电容C₁₀、第四运算放大器U_2D和比较器U_3A。其中，比较器U_3A的正输入端(第5引脚)作为比较电路4的第一输入端连接电压调理电路3的输出端，比较器U_3A的负输入端(第4引脚)连接第四运算放大器U_2D的反相输入端(第13引脚)和输出端(第14引脚)，比较器U_3A的接地端(第12引脚)接地，第十电容C₁₀串联连接在比较器U_3A的供电端(第3引脚)与地之间，比较器U_3A的输出端(第2引脚)作为本比较电路4的输出端，并且比较器U_3A的供电端连接至电源变换电路7的第二输出端，以从电源变换电路7处获得5V的电压。第四运算放大器U_2D的同相输入端(第12引脚)连接在第一分压电阻R_A和第二分压电阻R_B之间。第一分压电阻R_A和第二分压电阻R_B组成分压电路，第一分压电阻R_A的未连接第四运算放大器U_2D的另一端作为所述比较电路4的第二输入端连接至电源变换电路7的第三输出端(下面将详述)，以便从电源变换电路7处获得5V的参考电压V_ref，并且第二分压电阻R_B的未连接第四运算放大器U_2D的另一端接地。第一分压电阻R_A和第二分压电阻R_B组成的分压电路对来自电源变换电路7的参考电压V_ref进行分压得到设定电压V_-up，通过调整第一分压电阻R_A和第二分压电阻R_B的值，可以改变设定电压V_-up，设定电压V_-up与用电设备所能承受的最大电流所对应。设定电压V_-up经第四运算放大器U_2D充当的跟随电路之后输出至比较器U_3A，实现与电压调理电路3的输出电压V₃的比较，并输出比较结果V_-com。正常状态下，电压调理电路3的输出电压V₃不应超过设定电压V_-up，因此，比较器U_3A的输出为低电平，即比较结果V_-com为低电平。因此，可定义比较结果V_-com为低电平时为接通信号，比较结果V_-com为高电平时为断电信号，即比较结果V_-com为高电平时为异常状态，应断开基本恒流源电路1的供电。

比较器U_3A选用电压比较器LM139,采用单端5V供电方式。第十电容C₁₀串联连接在比较器U_3A的供电端与地之间，对比较器U_3A的供电进行滤波。比较电路4中，比较器U_3A的输出端输出的比较结果V_-com提供给信号保持电路5，由信号保持电路5实现信号的锁存和保持。

信号保持电路5包括D触发器U_5A、第一施密特触发器U_4A、第二施密特触发器U_4B、电阻R_-rst、以及电容C_-rst。其中，D触发器U_5A的时钟输入端CLK(第3引脚)连接比较电路4中比较器U_3A的输出端，D触发器U_5A的D端(第2引脚)和SD端(第4引脚)共同连接至电源变换电路7的第二输出端，以便从电源变换电路7处获得5V的电压，D触发器U_5A的Q端(第5引脚)作为信号保持电路5的一个输出端，连接至下面将描述的供电控制电路6，D触发器U_5A的端悬置，D触发器U_5A的CD端(第1引脚)连接第二施密特触发器U_4B的输出端(第4引脚)；第二施密特触发器U_4B的输入端(第3引脚)连接至第一施密特触发器U_4A的输出端(第2引脚)；电阻R_-rst的一端连接至电源变换电路7，以从电源变换电路7处获得5V的电压，电容C_-rst串联在电阻R_-rst的另一端与地之间，而第一施密特触发器U_4A的输入端(第1引脚)连接在电阻R_-rst与电容C_-rst之间。此外，第一施密特触发器U_4A的输出端还作为信号保持电路5的另一个输出端。

D触发器U_5A选用7474芯片，其时钟输入端CLK连接比较电路4中比较器U_3A的输出端，即，将比较电路4的比较结果V_-com送至D触发器U_5A的时钟输入端CLK。当比较结果V_-com发生由低电平到高电平的跳变时，可将D触发器U_5A的D端的状态锁存至其Q端，即D触发器U_5A输出的信号Kz与D端的状态一致。图2中，D触发器U_5A的D端连接至5V的电压，因此，当比较结果V_-com发生由低电平到高电平的跳变时，D触发器U_5A输出的信号Kz为高电平。

电阻R_-rst和电容C_-rst组成上电复位电路，电阻R_-rst的一端连接5V的电压，另一端连接电容C_-rst，并且电容C_-rst串接在电阻R_-rst与地之间。在上电时，因电容C_-rst未充电，因此上电复位电路输出的信号RST为低电平，当电容C_-rst充满电之后，信号RST变为高电平。

第一施密特触发器U_4A和第二施密特触发器U_4B选用具有反相功能的芯片7414，以对信号RST进行整形。信号RST经过第一施密特触发器U_4A整形之后得到信号RST1，信号RST1再经过第二施密特触发器U_4B整形之后得到信号RST2，信号RST2则送至D触发器U_5A的CD端。CD端为D触发器U_5A的清零端，当信号RST2为低电平时，可实现D触发器U_5A的清零，使D触发器U_5A的Q端输出为低电平，即信号Kz为低电平。第一施密特触发器U_4A整形之后输出的信号RST1和D触发器U_5A输出的信号Kz均送至供电控制电路6。

供电控制电路6包括或非门U_6A和固态继电器S1。或非门U_6A选用OC门输出的芯片7402，其输入端分别连接信号保持电路5中D触发器U_5A的Q端和第一施密特触发器U_4A的输出端，以便获得信号保持电路5输出的信号RST1和信号Kz，当信号RST1和信号Kz中任意一个为高电平时，或非门U_6A的输出为低电平。或非门U_6A的输出端连接至固态继电器S1的控制负端(第2引脚)。固态继电器S1有四个引脚，其中第1引脚为控制正端，定义为IN+端，第2引脚为控制负端，定义为IN-端，第3引脚为负载正端，定义为OUT+端，第4引脚为负载负端，定义为OUT-端。OUT+端和OUT-端之间为常闭触点。IN+端连接至电源变换电路7的第二输出端，以从电源变换电路7处获得5V的电压，IN-端连接或非门U_6A的输出端。OUT+端连接至电源变换电路7的第一输出端(下面将详述)，以从电源变换电路7处获得12V的电压，OUT-端作为供电控制电路6的输出端连接基本恒流源电路1的供电输入端。当或非门U_6A的输出端为高电平时，固态继电器S1的IN+端和IN-端之间无电压差，OUT+端和OUT-端之间的常闭触点闭合，12V电压通过固态继电器S1的OUT+端和OUT-端与基本恒流源电路1的供电输入端之间接通，实现对基本恒流源电路1的供电。当或非门U_6A的输出端为低电平时，固态继电器S1的IN+端和IN-端之间有5V的电压差，OUT+端和OUT-端之间的常闭触点断开，12V电压与基本恒流源电路1之间断开，从而断开基本恒流源电路1的供电。

电源变换电路7包括12V输出电路、5V输出电路和参考电压V_ref输出电路。12V输出电路输出12V电压提供给供电控制电路6，其包括第一三端稳压器G₁、第一电容C₁和第二电容C₂。其中，第一三端稳压器G₁选用7812芯片，其输入端接15V的供电电压(由外部供电提供)，其输出端作为电源变换电路7的第一输出端连接至供电控制电路6，为供电控制电路6提供12V的电压。第一电容C₁连接在第一三端稳压器G₁的输入端与地之间，实现对输入电压的滤波。第二电容C₂连接在第一三端稳压器G₁的输出端与地之间，实现对输出的12V电压的滤波。

5V输出电路为电流检测电路2、电压调理电路3、比较电路4、信号保持电路5和供电控制电路6提供5V的供电电压，其包括第二三端稳压器G₂、第三电容C₃和第四电容C₄。其中，第二三端稳压器G₂选用7805芯片，其输入端接15V的供电电压，其输出端作为电源变换电路7的第二输出端分别如上述的连接至电流检测电路2、电压调理电路3、比较电路4、信号保持电路5和供电控制电路6，以分别为所述电流检测电路2、电压调理电路3、比较电路4、信号保持电路5和供电控制电路6提供5V的供电电压。第三电容C₃连接在第二三端稳压器G₂的输入端与地之间，实现对输入电压的滤波。第四电容C₄连接在第二三端稳压器G₂的输出端与地之间，实现对输出的5V电压的滤波。

参考电压V_ref输出电路为比较电路4提供稳定的参考电压V_ref，其包括第三三端稳压器G₃、第五电容C₅和第六电容C₆。其中，第三三端稳压器G₃选用78L05芯片，其输出端作为电源变换电路7的第三输出端连接至比较电路4，为比较电路4提供稳定的5V参考电压，其输入端连接15V的供电电压。第五电容C₅连接在第三三端稳压器G₃的输入端与地之间，实现对输入电压的滤波。第六电容C₆的一端接地，另一端连接至第三三端稳压器G₃的输出端，实现对输出的5V参考电压的滤波。

根据本发明的带电流监测的恒流源电路的工作原理如下：

电源变换电路7上电后分别输出+12V电压、+5V电压和+5V的参考电压V_ref，电源变换电路7上电时，信号保持电路5的上电复位电路输出的信号RST为低电平，经过第一施密特触发器U_4A整形之后的输出信号RST1为高电平，信号RST1送至或非门U_6A之后，使或非门U_6A的输出为低电平。当或非门U_6A的输出为低电平时，固态继电器S1的IN+端和IN-端之间产生5V的电压差，使OUT+端和OUT-端之间的常闭触点断开，从而断开12V输出电路与基本恒流源电路1之间的连接，此时基本恒流源电路1因为没有供电而不工作。当上电复位电路输出的信号RST为低电平时，经过第一施密特触发器U_4A和第二施密特触发器U_4B整形之后的输出信号RST2也为低电平。低电平的信号RST2送至D触发器U_5A的CD端，产生清零信号，使D触发器U_5A的Q端输出为低电平。当电容C_-rst充电完毕后，上电复位结束，上电复位电路输出的信号RST变为高电平，则信号RST1变为低电平，信号RST2变为高电平。信号RST2变为高电平后，D触发器U_5A的清零结束。在上电复位期间，基本恒流源电路1因为没有供电而不工作，基本恒流源电路1的输出电流I_-o为零，电流检测电路2输出与为零的电流I_-o对应的电压V_-o，电流检测电路2输出的电压V_-o经电压调理电路3调理后，电压调理电路3的输出电压V₃小于比较电路4的设定电压V_-up，因此比较器U_3A输出的比较结果V_-com为低电平。上电结束后，比较器U_3A输出的比较结果V_-com仍为低电平，因此D触发器U_5A的时钟输入端CLK没有上升沿信号，从而D触发器U_5A的Q端输出保持低电平，即，此时信号Kz为低电平。由于信号RST1和信号Kz均为低电平，因此或非门U_6A输出为高电平。当或非门U_6A输出为高电平时，固态继电器S1的OUT+端和OUT-端之间无电压差，使OUT+端和OUT-端之间的常闭触点闭合，从而使基本恒流源电路1通过供电控制电路6与电源变换电路7中的12V输出电路接通，基本恒流源电路1开始工作。通过上电复位，保证D触发器U_5A的Q端具有确定的状态，而基本恒流源电路1在信号保持电路复位期间无输出，从而保证了电路工作的安全性。

当基本恒流源电路1与12V输出电路接通之后，根据文献一中公开的双极型恒流源电路的工作原理，可知基本恒流源电路1的输出电流I_-o为：

$I_{-o}\≈\frac{V_W}{R_1}---\left(1\right)$

公式(1)中，V_W为稳压二极管D₁的稳压值，R₁为第一电阻R₁的阻值。

基本恒流源电路1的输出电流I_-o经过电流检测电路2之后，得到与电流I_-o对应的电压V_-o，由图2中可知，经过电压调理电路3中一级跟随电路的一级跟随之后，得到一级跟随电路输出电压V₁＝V_-o。一级跟随电路输出电压V₁经过第一级放大电路的一级放大后，可得第一级放大电压V₂，并且

$V_2=(1+\frac{R_6}{R_5})V_1---\left(2\right)$

公式(2)中，R₅和R₆分别表示第五电阻和第六电阻的阻值。

第一级放大电压V₂经过第二级放大电路的放大之后，可得电压调理电路3的输出电压V₃，并且

$V_3=(1+\frac{R_9}{R_8})V_2---\left(3\right)$

公式(3)中，R₈和R₉分别表示第八电阻和第九电阻的阻值。

因此，由上面的公司(1)、(2)、(3)可得电压调理电路3的输出电压V₃：

$V_3=(1+\frac{R_6}{R_5})(1+\frac{R_9}{R_8})V_{-o}---\left(4\right)$

即通过调整电压调理电路3中的电阻R₅、电阻R₆、电阻R₈、电阻R₉的阻值，可将电流检测电路2的输出电压V_-o调整至合理的范围。

电压调理电路3的输出电压V₃送至比较电路4中与比较电路4中的设定电压V_-up进行比较。由图2中比较电路4可知：

$V_{-\mathrm{up}}=\frac{R_B}{R_A+R_B}{V}_{\mathrm{ref}}---\left(5\right)$

其中，V_ref由电源变换电路7中的参考电压V_ref输出电路提供。通过调整第一分压电阻R_A和第二分压电阻R_B的阻值，可以改变设定电压V_-up，设定电压V_-up的值与用电设备所能承受的最大电流所对应。

正常状态下，上电复位结束之后，基本恒流源电路1开始工作，电压调理电路3的输出电压V₃小于比较电路4的设定电压V_-up，则比较器U_3A输出为低电平，即比较电路4中比较器U_3A的比较结果V_-com为低电平，此时D触发器U_5A的Q端保持低电平。然而，若基本恒流源电路发生异常，当其输出电流I_-o变大，则电流检测电路2的输出电压V_-out变大，电压调理电路3的输出电压V₃也变大。如果基本恒流源电路的输出电流I_-o超过设计的最大值，使得电压调理电路3的输出电压V₃大于设定电压V_-up，则比较器U_3A输出为高电平，即比较器U_3A的输出结果V_-com变为高电平，定义当比较器U_3A的输出结果V_-com为高电平时为断电信号。当比较器U_3A的输出结果V_-com由低电平变为高电平时，D触发器U_5A的时钟输入端CLK处出现信号的上升沿，则会使D触发器U_5A的D端的高电平信号锁存至Q端，Q端变为高电平信号，即信号Kz变为高电平，将断电信号锁存。当信号Kz变为高电平时，或非门U_6A的输出端为低电平，固态继电器S1的IN+端和IN-端之间产生5V的电压差，使OUT+端和OUT-端之间的常闭触点断开，从而断开12V电压与基本恒流源电路1之间的连接，实现在输出电流异常时断开基本恒流源电路的供电。当基本恒流源电路1的供电断开时，其输出电流I_-o变为0，电流检测电路2的输出电压V_-out减小，使得电压调理电路3的输出电压V₃小于设定电压V_-up。当电压调理电路3的输出电压V₃小于设定电压V_-up时，比较器U_3A输出为低电平，即比较结果V_-com变为低电平，使得D触发器U_5A的时钟输入端CLK变为低电平，而此时D触发器U_5A的状态不变，从而实现对电流异常状态的锁存与保持。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带电流监测的恒流源电路，其特征在于，包括：基本恒流源电路(1)、电流检测电路(2)、电压调理电路(3)、比较电路(4)、信号保持电路(5)、供电控制电路(6)、以及电源变换电路(7)，其中：

所述电源变换电路(7)接收外部的供电，并将外部的供电变换为所述基本恒流源电路(1)、电流检测电路(2)、电压调理电路(3)、比较电路(4)、信号保持电路(5)、以及供电控制电路(6)工作所需的电压，并为所述比较电路(4)提供参考电压；

所述电流检测电路(2)串接在所述基本恒流源电路(1)的输出端与用电设备之间，其自所述电源变换电路(7)处获得工作所需的电压；接收来自所述基本恒流源电路(1)的输出电流，对所述基本恒流源电路(1)的输出电流进行实时检测，并将所述基本恒流源电路(1)的输出电流转换为电压信号提供给所述电压调理电路(3)；

所述电压调理电路(3)自所述电源变换电路(7)处获得工作所需的电压；将所述电流检测电路(2)输出的电压信号调整至合适的范围之后输出给所述比较电路(4)；

所述比较电路(4)自所述电源变换电路(7)处获得工作所需的电压和参考电压；将参考电压转换为预设的设定电压，并将经所述电压调理电路(3)调理后的电压与该设定电压进行比较，并根据比较结果输出相应的控制信号给所述信号保持电路(5)；

所述信号保持电路(5)自所述电源变换电路(7)处获得工作所需的电压；对来自所述比较电路(4)的控制信号进行保持或锁存处理后，将该控制信号输出至所述供电控制电路(6)；并且所述信号保持电路(5)采用上电复位形式对自身的电路进行清零，从而保证自己的电路具有确定的工作状态；

所述供电控制电路(6)接收所述电源变换电路(7)的供电电压和所述信号保持电路(5)的控制信号；根据所述信号保持电路(5)输出的该控制信号实现所述基本恒流源电路(1)与所述电源变换电路(7)输出的供电电压之间的连通或断开；

所述基本恒流源电路(1)在所述供电控制电路(6)的供断电控制下连通至所述电源变换电路(7)或者断开与所述电源变换电路(7)的电压连接，从而输出电流或者不输出电流；并且，

如果经所述电压调理电路(3)调理后的电压比设定电压小，所述比较电路(4)则输出接通信号，所述信号保持电路(5)收到接通信号后保持该接通信号，并将接通信号输出给所述供电控制电路(6)，所述供电控制电路(6)据以接通所述电源变换电路(7)对所述基本恒流源电路(1)的供电，使得所述基本恒流源电路(1)输出电流；如果经所述电压调理电路(3)调理后的电压超过了设定电压，所述比较电路(4)则输出断电信号至所述信号保持电路(5)；所述信号保持电路(5)锁存断电信号之后，将断电信号输出给所述供电控制电路(6)，所述供电控制电路(6)据以断开所述电源变换电路(7)对所述基本恒流源电路(1)的供电，使得所述基本恒流源电路(1)不输出电流，从而实现电流输出异常时的断电控制。

2.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述基本恒流源电路(1)包括第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第三电阻(R₃)、第九电容(C₉)、稳压二极管(D₁)、第一三极管(Q₁)、以及第二三极管(Q₂)，其中，

第一电阻(R₁)的一端与稳压二极管(D₁)的正端并联连接在一起作为所述基本恒流源电路(1)的供电输入端连接至所述供电控制电路(6)，第一电阻(R₁)的另一端连接第二三极管(Q₂)的发射极，第二三极管(Q₂)的基极连接第一三极管(Q₁)的发射极，第二三极管(Q₂)的集电极作为所述基本恒流源电路(1)的输出端连接至所述电流检测电路(2)；第二电阻(R₂)的一端与第三电阻(R₃)的一端并联连接至稳压二极管(D₁)的负端，第二电阻(R₂)的另一端连接第一三极管(Q₁)的基极，第一三极管(Q₁)的集电极连接第九电容(C₉)的一端，第九电容(C₉)的另一端接地，第三电阻(R₃)的另一端也接地。

3.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述电流检测电路(2)包括第一电流传感器(U₁)和第七电容(C₇)，其中，

第一电流传感器(U₁)的电流输入端(I_-in)作为所述电流检测电路的输入端连接所述基本恒流源电路(1)的输出端；第一电流传感器(U₁)的电流输出端(I_-out)连接用电设备(R_L)；第一电流传感器(U₁)的电压输出端(V_-out)作为所述电流检测电路的输出端；第一电流传感器(U₁)的接地端接地；第七电容(C₇)串联在第一电流传感器(U₁)的供电端(VCC)与地之间，并且第一电流传感器(U₁)的供电端(VCC)连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得5V的工作电压。

4.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述电压调理电路(3)包括一级跟随电路和两级放大电路，其中，跟随电路包括第一运算放大器(U_2A)和第八电容(C₈)；第一级放大电路包括第二运算放大器(U_2B)、第四电阻(R₄)、第五电阻(R₅)、及第六电阻(R₆)；并且第二级放大电路包括第三运算放大器(U_2C)、第七电阻(R₇)、第八电阻(R₈)、及第九电阻(R₉)；具体地：

第一运算放大器(U_2A)的同相输入端作为所述电压调理电路(3)的输入端连接所述电流检测电路的输出端，第一运算放大器(U_2A)的反相输入端与其输出端共同连接至第四电阻(R₄)的一端，而第一运算放大器(U_2A)的供电端与第八电容(C₈)的一端共同连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得5V的工作电压，第一运算放大器(U_2A)的接地端接地，并且第八电容(C₈)的另一端接地；第四电阻(R₄)的另一端连接至第二运算放大器(U_2B)的同相输入端；第二运算放大器(U_2B)的反相输入端与第六电阻(R₆)的一端并联连接在一起，并通过第五电阻(R₅)连接至地；第六电阻(R₆)的另一端与第二运算放大器(U_2B)的输出端并联连接至第七电阻(R₇)的一端；第七电阻(R₇)的另一端连接至第三运算放大器(U_2C)的同相输入端；第三运算放大器(U_2C)的反相输入端与第九电阻(R₉)的一端并联连接至第八电阻(R₈)的一端，第三运算放大器(U_2C)的输出端与第九电阻(R₉)的另一端并联连接在一起，作为所述电压调理电路(3)的输出端；并且第八电阻(R₈)的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述比较电路(4)包括第一分压电阻(R_A)、第二分压电阻(R_B)、第十电容(C₁₀)、第四运算放大器(U_2D)和比较器(U_3A)，其中，

比较器(U_3A)的正输入端作为所述比较电路(4)的第一输入端连接所述电压调理电路(3)的输出端；比较器(U_3A)的负输入端连接第四运算放大器(U_2D)的反相输入端和输出端；比较器(U_3A)的接地端接地，并且第十电容(C₁₀)串联连接在比较器(U_3A)的供电端与地之间；比较器(U_3A)的输出端作为所述比较电路(4)的输出端，并且比较器(U_3A)的供电端连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得5V的工作电压；

第四运算放大器(U_2D)的同相输入端连接在第一分压电阻(R_A)和第二分压电阻(R_B)之间；第一分压电阻(R_A)和第二分压电阻(R_B)组成分压电路，第一分压电阻(R_A)的未连接第四运算放大器(U_2D)的另一端作为所述比较电路(4)的第二输入端连接至所述电源变换电路(7)的输出端，以便从所述电源变换电路(7)获得5V的参考电压(V_ref)，并且第二分压电阻(R_B)的未连接第四运算放大器(U_2D)的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述信号保持电路(5)包括D触发器(U_5A)、第一施密特触发器(U_4A)、第二施密特触发器(U_4B)、电阻R_-rst、以及电容C_-rst，其中，

D触发器(U_5A)的时钟输入端(CLK)作为所述信号保持电路(5)的输入端连接至所述比较电路(4)的输出端，D触发器(U_5A)的D端和SD端共同连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得5V的工作电压，D触发器(U_5A)的Q端作为所述信号保持电路(5)的第一输出端，D触发器(U_5A)的端悬置，并且D触发器(U_5A)的CD端连接第二施密特触发器(U_4B)的输出端；第二施密特触发器(U_4B)的输入端连接至第一施密特触发器(U_4A)的输出端；电阻R_-rst的一端连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得5V的工作电压，其另一端连接至电容C_-rst的一端；电容C_-rst的另一端接地；第一施密特触发器(U_4A)的输入端连接在电阻R_-rst与电容C_-rst之间，第一施密特触发器(U_4A)的输出端作为所述信号保持电路(5)的第二输出端。

7.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述供电控制电路(6)包括或非门(U_6A)和固态继电器(S1)，其中，或非门(U_6A)的两个输入端均连接至所述信号保持电路(5)，以从所述信号保持电路(5)获得相应的控制信号，或非门(U_6A)的输出端连接至固态继电器(S1)的控制负端；固态继电器(S1)的控制正端连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得5V的工作电压，固态继电器(S1)的负载正端连接至所述电源变换电路(7)，以从所述电源变换电路(7)处获得12V的工作电压，固态继电器(S1)的负载负端作为所述供电控制电路(6)的输出端连接所述基本恒流源电路(1)的供电输入端，并且固态继电器(S1)的负载负端和负载正端之间为常闭触点。

8.根据权利要求1所述的带电流监测的恒流源电路，其特征在于，所述电源变换电路(7)包括12V输出电路、5V输出电路和参考电压输出电路，其中，

12V输出电路包括第一三端稳压器(G₁)、第一电容(C₁)、以及第二电容(C₂)，并且其中，第一三端稳压器(G₁)的输入端连接15V的供电电压，其输出端作为所述电源变换电路(7)的第一输出端连接至所述供电控制电路(6)，以通过所述供电控制电路(6)为所述基本恒流源电路(1)提供12V的工作电压；第一电容(C₁)连接在第一三端稳压器(G₁)的输入端与地之间；第二电容(C₂)连接在第一三端稳压器(G₁)的输出端与地之间；

5V输出电路包括第二三端稳压器(G₂)、第三电容(C₃)、以及第四电容(C₄)；并且其中，第二三端稳压器(G₂)的输入端连接15V的供电电压，其输出端作为所述电源变换电路(7)的第二输出端分别连接至所述电流检测电路(2)、电压调理电路(3)、比较电路(4)、信号保持电路(5)和供电控制电路(6)，以分别为所述电流检测电路(2)、电压调理电路(3)、比较电路(4)、信号保持电路(5)和供电控制电路(6)提供5V的工作电压；第三电容(C₃)连接在第二三端稳压器(G₂)的输入端与地之间；第四电容(C₄)连接在第二三端稳压器(G₂)的输出端与地之间；

参考电压输出电路包括第三三端稳压器(G₃)、第五电容(C₅)和第六电容(C₆)，并且其中，第三三端稳压器(G₃)的输出端输出稳定的5V参考电压，第三三端稳压器(G₃)的输出端作为所述电源变换电路(7)的第三输出端连接至所述比较电路(4)，为所述比较电路(4)提供稳定的参考电压(V_ref)，第三三端稳压器(G₃)的输入端连接15V的供电电压；第五电容(C₅)连接在第三三端稳压器(G₃)的输入端与地之间；第六电容(C₆)连接在第三三端稳压器(G₃)的输出端与地之间。