CN104699158A - 恒流源供电电路 - Google Patents

Abstract

一种恒流源供电电路，包括主控芯片、直流电压输出模块及恒流输出模块；所述主控芯片分别与所述直流电压输出模块、恒流输出模块连接，用于根据负载电路所需的电源电压输出控制指令以调节所述直流电压输出模块的输出电压；所述直流电压输出模块用于为负载电路提供可变的直流电压；所述恒流输出模块用于输出恒定的电流给负载电路。本发明能减少发热量且扩大输出电流范围。

Description

恒流源供电电路

技术领域

本发明涉及电源控制领域，特别是涉及一种恒流源供电电路。

背景技术

恒流源是能够为负载提供恒定电流的电源。恒流源允许负载电阻大幅度变化，而负载电流恒定不变。恒流源一般分为晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源。功率场效应管能输出较大的电流，并有较好的输出特性：当功率场效应管的源极与栅极之间的电压一定时，它漏极的电流是一定的，并在一定范围内其漏极与源极之间的电压大小变化与漏极电流无关，有较好的恒流性能。在大容量蓄电池充电器，温度巡检仪，电子负载，白光LED照明，电气触点微电阻测量，数控恒流源中，都有可能用到大于1安培，甚至是10安培的大电流恒流源。

然而，传统的恒流源的供电电压一般为固定电压，不仅限制了最大输出电流，而且不适宜负载电阻变化较大，输出电流范围大的使用场合。因为在输出电流较大，负载电阻变化较大的使用场合，功率场效应管的漏极与源极之间的电压变化较大，导致管耗较大。因管耗大而产生的热量会使结温升高，若不采取合适的散热措施，会造成较大的温度漂移，从而使恒流性能变坏，甚至于烧掉功率场效应管。比如恒流源电流有1安培或10安培，改变负载时，若场效应管上压降有1伏时，就会有1瓦或10瓦的发热量。

发明内容

基于此，有必要提供一种减少发热量且扩大输出电流范围的恒流源供电电路。

一种恒流源供电电路，包括主控芯片、直流电压输出模块及恒流输出模块；所述主控芯片分别与所述直流电压输出模块、恒流输出模块连接，用于根据负载电路所需的电源电压输出控制指令以调节所述直流电压输出模块的输出电压；所述直流电压输出模块用于为负载电路提供可变的直流电压；所述恒流输出模块用于输出恒定的电流给负载电路。

在其中一个实施例中，所述直流电压输出模块包括第一数模转换器、DC/DC转换单元，所述第一数模转换器连接在所述主控芯片与所述DC/DC转换单元之间，用于根据所述控制指令调节所述DC/DC转换单元的输出电压，所述DC/DC转换单元用于连接电源，并将电源电压转换为所述负载电路需要的直流电压。

在其中一个实施例中，所述DC/DC转换单元包括DC/DC转换器、第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻和第二电阻串联在直流电压输出端与地之间；所述DC/DC转换器为反馈类型，所述DC/DC转换器的反馈引脚、所述第三电阻的一端均连接在所述第一电阻与第二电阻的公共端，所述第三电阻的另一端与所述第一数模转换器连接。

在其中一个实施例中，所述DC/DC转换单元包括DC/DC转换器、第四电阻、第五电阻和数字电位器，所述第四电阻和第五电阻串联在直流电压输出端与地之间；所述DC/DC转换器为反馈类型，所述DC/DC转换器的反馈引脚、所述数字电位器的一端均连接在所述第四电阻与第五电阻的公共端，所述数字电位器的另一端与所述第一数模转换器连接。

在其中一个实施例中，所述直流电压输出模块包括滤波器、第一跟随器及DC/DC转换单元，所述主控芯片依次通过所述滤波器、第一跟随器与所述DC/DC转换单元连接。

在其中一个实施例中，所述恒流输出模块包括参考电源、第二数模转换器、运算放大器、采样电阻及场效应管；

在其中一个实施例中，所述参考电源与所述第二数模转换器连接，所述第二数模转换器连接在所述主控芯片与所述运算放大器之间，所述运算放大器通过所述场效应管与负载电路连接，所述采样电阻连接在所述场效应管的低电位端与所述运算放大器之间。

在其中一个实施例中，所述恒流输出模块还包括第二跟随器，所述第二跟随器用于连接在所述第二数模转换器与所述运算放大器之间。

在其中一个实施例中，所述场效效应管为N型mos管，所述N型mos管的栅极与所述运算放大器连接，所述N型mos管的源极与所述采样电阻连接，所述N型mos管的漏极用于连接负载电路。

上述恒流源供电电路，主控芯片根据负载电路所需的电源电压输出控制指令以调节所述直流电压输出模块的输出电压，这样所述直流电压输出模块就可以为负载电路提供可变的直流电压，当负载电流恒定时，负载电阻小了，调小输出电压，负载电阻大了，调大输出电压；当负载电阻恒定时，负载电流小了，调小输出电压，负载电流大了，调大输出电压，从而使得恒流输出模块中的场效应管的压降保持最小，功耗最小，发热最小，解决了大电流恒流源发热量大的问题；另外，直流电压输出模块的输出电压是可变的，使得恒流输出模块输出的电流范围更大。

附图说明

图1为一实施例中恒流源供电电路的模块图；

图2为一实施例中直流电压输出模块的原理图；

图3为图2所示实施例中DC/DC转换单元的原理图；

图4为一实施例中恒流输出模块的模块图。

具体实施方式

请参照图1，为一实施例中恒流源供电电路的模块图。

该恒流源供电电路包括主控芯片110、直流电压输出模块120及恒流输出模块130。

主控芯片110分别与直流电压输出模块120、恒流输出模块130连接，用于根据负载电路140所需的电源电压输出控制指令以调节直流电压输出模块120的输出电压。

直流电压输出模块120用于为负载电路140提供可变的直流电压。具体地，请结合图2，为一实施例中直流电压输出模块的原理图。

直流电压输出模块120包括第一数模转换器122、DC/DC转换单元124。第一数模转换器122连接在主控芯片110的数模转换引脚与DC/DC转换单元124之间，用于根据主控芯片110发送的控制指令调节DC/DC转换单元124的输出电压，DC/DC转换单元124用于连接电源，并将电源电压转换为负载电路140需要的直流电压。

可以理解，在其他实施例中，当主控芯片没有足够的数模转换引脚时，可以采用滤波器和电压跟随器(第一跟随器)代替第一数模转换器122。主控芯片110依次通过所述滤波器、第一跟随器与DC/DC转换单元124连接，DC/DC转换单元124用于输入电源，并将电源电压转换为负载电路140需要的直流电压。

请结合图3，为图2所示实施例中DC/DC转换单元的原理图。

DC/DC转换单元124包括DC/DC转换器126、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。第一电阻R1和第二电阻R2串联在直流电压输出端Vout与地之间。DC/DC转换器126为反馈类型，DC/DC转换器126的反馈引脚、第三电阻R3的一端均连接在第一电阻R1与第二电阻R2的公共端fb，第三电阻R3的另一端与第一数模转换器122连接。

通过改变流进DC/DC转换器128的反馈引脚的电流大小，DC/DC转换器128电路的输出电压大小也随之发生改变。第一数模转换器126采用固定电压的电压源作为基准电压。第一数模转换器126的位数越多，最小可调节电压值越小。

设流过第一电阻R1的电流为I1，流过第二电阻R2的电流为I2，流过第三电阻R3的电流为I3，那么公共端fb的输入电流等于其输出电流的情况有三种：

当V_out>V_fb，V_DA>V_fb时，I2＝I1+I3，即：

$\frac{V_{\mathrm{fb}}}{R_2}=\frac{V_{\mathrm{out}}-V_{\mathrm{fb}}}{R_1}+\frac{V_{\mathrm{DA}}-V_{\mathrm{fb}}}{R_3};$

当V_out>V_fb，V_DA<V_fb时，I1＝I2+I3，即：

$\frac{V_{\mathrm{out}}-V_{\mathrm{fb}}}{R_1}=\frac{V_{\mathrm{fb}}}{R_2}+\frac{V_{\mathrm{fb}}-V_{\mathrm{DA}}}{R_3};$

当V_out<V_fb，V_DA>V_fb时，I3＝I1+I2

$\frac{V_{\mathrm{DA}}-V_{\mathrm{fb}}}{R_3}=\frac{V_{\mathrm{fb}}}{R_2}+\frac{V_{\mathrm{fb}}-V_{\mathrm{out}}}{R_1}.$

根据以上三种情况，可以得到如下公式：

$V_{\mathrm{out}}=(\frac{R_1}{R_2}+1)\&times;V_{\mathrm{fb}}-\frac{R_1}{R_3}\&times;(V_{\mathrm{DA}}-V_{\mathrm{fb}}).$

因此，当V_DA为最小值(0伏)时，

当V_DA为最大值时， $V_{\mathrm{out}\min }=(\frac{R_1}{R_1}+\frac{R_1}{R_3}+1)\&times;V_{\mathrm{fb}}-\frac{R_1}{R_3}\&times;V_{\mathrm{DA}\max }.$

其中，R₁表示第一电阻R1的阻值，R₂表示第二电阻R2的阻值，R₃表示第三电阻R3的阻值，V_fb表示公共端fb的电压值，V_DA表示第一数模转换器126的输出电压值，V_DAmax表示第一数模转换器126的输出电压最大值，V_out表示DC/DC转换器128的输出电压，V_outmax表示DC/DC转换器128的输出电压最大值，V_outmin表示DC/DC转换器128的输出电压最小值。

可知，第一数模块转换器126的输出电压最大时，DC/DC转换器128的输出电压最小。第一数模转换器126的输出电压最小(0V)时，DC/DC转换器128的输出电压最大，即DC/DC转换器128输出电压和第一数模转换器126的输出电压成反比例的关系。V_DA和V_out的具体实测结果如表1和表2所示。

表1：R₁＝3千欧，R₂＝510欧，R₃＝1千欧，DC/DC转换器LM22670的测验结果

VDA(伏)	Vout(伏)	VDA(伏)	Vout(伏)	VDA(伏)	Vout(伏)	VDA(伏)	Vout(伏)
								0	12.74	1.00	9.72	2.00	6.70	3.00	3.66
0.10	12.45	1.10	9.42	2.10	6.39	3.10	3.377
								0.20	12.15	1.20	9.10	2.20	6.10	3.20	3.065
0.30	11.85	1.30	8.82	2.30	5.77	3.30	2.769
								0.40	11.53	1.40	8.52	2.40	5.49
0.50	11.22	1.50	8.21	2.50	5.19
								0.60	10.94	1.60	7.90	2.60	4.89
0.70	10.63	1.70	7.61	2.70	4.59
								0.80	10.32	1.80	7.29	2.80	4.28
0.90	10.01			2.90	3.98

表2：R₁＝5.6千欧，R₂＝1千欧，R₃＝1.5千欧，DC/DC转换器LM22670的测验结果

VDA(伏)	Vout(伏)	VDA(伏)	Vout(伏)	VDA(伏)	Vout(伏)	VDA(伏)	Vout(伏)
								0	13.26	1.00	9.52	2.00	5.8	3.00	2.23
0.10	12.88	1.10	9.15	2.10	5.43	3.10	1.729
								0.20	12.51	1.20	8.78	2.20	5.07	3.20	1.372
0.30	12.15	1.30	8.4	2.30	4.66	3.30	0.982
								0.40	11.79	1.40	8.04	2.40	4.29
0.50	11.41	1.50	7.65	2.50	3.94
								0.60	11.01	1.60	7.28	2.60	3.545
0.70	10.65	1.70	6.93	2.70	3.227
								0.80	10.27	1.80	6.53	2.80	2.824
0.90	9.9		6.15	2.90	2.488

可以理解，在其他实施例中，还可以使用数字电位器来代替本实施例中第三电阻R3来调整直流电压输出模块120的输出电压大小。这样，DC/DC转换单元124的具体结构可以为：包括DC/DC转换器、第四电阻、第五电阻和数字电位器，所述第四电阻和第五电阻串联在直流电压输出端与地之间；所述DC/DC转换器为反馈类型，所述DC/DC转换器的反馈引脚、所述数字电位器的一端均连接在所述第四电阻与第五电阻的公共端，所述数字电位器的另一端与所述第一数模转换器连接。

恒流输出模块130用于输出恒定的电流给负载电路140。具体请结合图4，为一实施例中恒流输出模块的模块图。

恒流输出模块130包括参考电源132、第二数模转换器134、运算放大器136采样电阻138及场效应管142。

参考电源132与第二数模转换器134连接，第二数模转换器134连接在主控芯片110与运算放大器136之间，运算放大器136通过场效应管142与负载电路140连接，采样电阻138连接在场效应管142的低电位端与运算放大器136之间。

在本实施例中，场效效应管142为N型mos管，所述N型mos管的栅极与运算放大器136连接，所述N型mos管的源极与采样电阻138连接，所述N型mos管的漏极用于连接负载电路140。

可以理解，在其他实施例中，恒流输出模块130还可以包括第二跟随器，所述第二跟随器用于连接在第二数模转换器134与运算放大器136之间。

以下结合图1～4说明该恒流源供电电路的原理：主控芯片110根据负载电路140中负载电阻的大小及负载电流的大小需要，自动调节直流电压输出模块120的输出电压，使其输出电压等于恒流输出模块130所需的电源电压，而恒流输出模块130所需的电源电压等负载电流乘以采样电阻138与负载电路140中负载电阻的阻值和，然后再加上场效应管142的压降。当负载电流恒定时，所述负载电阻小了，调小直流电压输出模块120的输出电压，负载电阻大了，调大直流电压输出模块120的输出电压。当负载电阻恒定时，负载电流小了，调小直流电压输出模块120的输出电压，负载电流大了，调大直流电压输出模块120的输出电压，始终保持场效应管142的压降最小。参考电源132给第二数模转换器134供电，第二数模转换器134输出电压作为基准电压，采样电阻138将输出电流转换成反馈电压，然后输入到运算放大器136与所述基准电压进行比较，比较放大后的信号推动场效应管142对输出电流进行调整，最后达到输出电流恒定。

上述恒流源供电电路，主控芯片根据负载电路所需的电源电压输出控制指令以调节所述直流电压输出模块的输出电压，这样所述直流电压输出模块就可以为负载电路提供可变的直流电压，当负载电流恒定时，负载电阻小了，调小输出电压，负载电阻大了，调大输出电压；当负载电阻恒定时，负载电流小了，调小输出电压，负载电流大了，调大输出电压，从而使得恒流输出模块中的场效应管的压降保持最小，功耗最小，发热最小，解决了大电流恒流源发热量大的问题；另外，直流电压输出模块的输出电压是可变的，使得恒流输出模块输出的电流范围更大。

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 (8)

1.一种恒流源供电电路，其特征在于，包括主控芯片、直流电压输出模块及恒流输出模块；所述主控芯片分别与所述直流电压输出模块、恒流输出模块连接，用于根据负载电路所需的电源电压输出控制指令以调节所述直流电压输出模块的输出电压；所述直流电压输出模块用于为负载电路提供可变的直流电压；所述恒流输出模块用于输出恒定的电流给负载电路。

2.根据权利要求1所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述直流电压输出模块包括第一数模转换器、DC/DC转换单元，所述第一数模转换器连接在所述主控芯片与所述DC/DC转换单元之间，用于根据所述控制指令调节所述DC/DC转换单元的输出电压，所述DC/DC转换单元用于连接电源，并将电源电压转换为所述负载电路需要的直流电压。

3.根据权利要求2所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述DC/DC转换单元包括DC/DC转换器、第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻和第二电阻串联在直流电压输出端与地之间；所述DC/DC转换器为反馈类型，所述DC/DC转换器的反馈引脚、所述第三电阻的一端均连接在所述第一电阻与第二电阻的公共端，所述第三电阻的另一端与所述第一数模转换器连接。

4.根据权利要求2所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述DC/DC转换单元包括DC/DC转换器、第四电阻、第五电阻和数字电位器，所述第四电阻和第五电阻串联在直流电压输出端与地之间；所述DC/DC转换器为反馈类型，所述DC/DC转换器的反馈引脚、所述数字电位器的一端均连接在所述第四电阻与第五电阻的公共端，所述数字电位器的另一端与所述第一数模转换器连接。

5.根据权利要求1所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述直流电压输出模块包括滤波器、第一跟随器及DC/DC转换单元，所述主控芯片依次通过所述滤波器、第一跟随器与所述DC/DC转换单元连接。

6.根据权利要求1所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述恒流输出模块包括参考电源、第二数模转换器、运算放大器、采样电阻及场效应管；

所述参考电源与所述第二数模转换器连接，所述第二数模转换器连接在所述主控芯片与所述运算放大器之间，所述运算放大器通过所述场效应管与负载电路连接，所述采样电阻连接在所述场效应管的低电位端与所述运算放大器之间。

7.根据权利要求6所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述恒流输出模块还包括第二跟随器，所述第二跟随器用于连接在所述第二数模转换器与所述运算放大器之间。

8.根据权利要求6所述的恒流源供电电路，其特征在于，所述场效效应管为N型mos管，所述N型mos管的栅极与所述运算放大器连接，所述N型mos管的源极与所述采样电阻连接，所述N型mos管的漏极用于连接负载电路。