CN104850162A

CN104850162A - 一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路

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Publication number: CN104850162A
Application number: CN201510119696.4A
Authority: CN
Inventors: 吕章刚; 司文杰; 梁海波; 李�浩; 梁婕; 刘志华; 许昊
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Automatic Control Research Institute
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Automatic Control Research Institute
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-03-18
Also published as: CN104850162B

Abstract

本发明涉及一种具有抑制接通瞬间高电压功能的新型高可靠恒流源电路，属于通路检测、充电电路、器件测量等技术领域。本发明的恒流源电路，可有效抑制恒流源电路接通瞬间产生的瞬时高电压，从而保护被测试设备，同时该恒流源电路将电流设定电阻进行了串并联处理，增强了恒流源电路的可靠性，通过设定电阻阻值的合理选取能够使恒流源电路在一度故障的情况下仍然能够保持在安全电流的范围内，从而避免对用电设备造成损害。

Description

一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路

技术领域

本发明涉及一种具有抑制接通瞬间高电压功能的新型高可靠恒流源电路，属于通路检测、充电电路、器件测量等技术领域。

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，文献一《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，其中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。文献二《用于GPS设备的恒流源电路》(中国专利申请号：2012207283510)和文献三《一种测温电路用恒流源》(中国专利申请号CN201210535034)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均无法避免恒流源在接通瞬间产生的瞬间高电压对被测试设备的影响，在电路发生一度故障的情况也无法实现被测试设备的测试和保证被测试设备的安全。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路，利用该恒流源电路进行通路检测、器件测量时，可以确保被测试对象的安全性，避免对人身以及用电设备造成损害。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明在传统恒流源电路的基础上采取了下列两条改进措施：

(1)在电路中设置恒流源电压抑制电路，通过该电路的引入，为恒流源接通瞬间产生的高电压提供了泄放通路；

(2)将传统电路中恒流源电流设定电阻进行了提高可靠性处理，避免了传统电路中设定电阻失效引起的电流值增大而对测试电路产生的影响。

基于上述两种更改，设计了一种具有抑制接通瞬间高电压功能的新型高可靠恒流源电路，提高了传统恒流源电路的可靠性，实现对用电设备的保护。

本发明的一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路，该电路包括恒流源供电电路、稳压电路、恒流源电流设定电路、通路保护电路、恒流源电流锁定电路、恒流源电压抑制电路和防倒灌电路；

本发明电路中通过恒流源供电电路为恒流源电路提供电压输入，通过稳压电路将恒流源供电电路产生的电压进行锁定产生稳定电压，该稳定电压通过恒流源电流设定电路转化为恒定电流I，恒定电流I经恒流源电流锁定电路产生恒定电流II，该恒定电流II已经具备恒流源的特性，随后恒定电流II经恒流源电压抑制电路对恒定电流II进行电压抑制产生恒定电流III，恒定电流III经过防倒灌电路后输出最终恒定电流，利用该恒定电流进行通路监测、器件测量时能够保证被测试设备的安全；通过通路保护电路对稳压电路和恒流源电流锁定电路进行电压保护。

恒流源供电电路包括滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4、滤波电容C5、滤波电容C6、滤波电容C7、滤波电容C8、滤波电容C9、滤波电容C10、电感L1、稳压二极管D1、滤波器U1和电压转换芯片U2；

滤波电容C2的一端与电源负极相连，滤波电容C2的另一端与滤波电容C1的一端相连，滤波电容C1的另一端与电源正极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端与滤波电容C3的一端、滤波电容C5的一端、滤波电容C7的一端、稳压二极管D1的负端、滤波器U1的+Vin管脚相连；

滤波电容C3的另一端与滤波电容C4的一端相连，滤波电容C5的另一端与滤波电容C6的一端相连，滤波电容C7的另一端与滤波电容C8的一端相连；

滤波电容C4的另一端、滤波电容C6的另一端、滤波电容C8的另一端与电源负极、稳压二极管D1的正端、滤波器U1的-Vin管脚相连；

滤波器U1的+Vout管脚与电压转换芯片U2的+Vin管脚相连；

滤波器U1的-Vout管脚与电压转换芯片U2的-Vin管脚、电压转换芯片U2的SYNC管脚相连；

滤波器U1的CASE管脚与电压转换芯片U2的CASE管脚相连；

电压转换芯片U2的+Vout管脚与滤波电容C9的一端、滤波电容C10的一端、双端稳压二极管D2的一端相连，电压转换芯片U2的-Vout管脚与滤波电容C9的另一端、滤波电容C10的另一端、电流锁定电路5中的滤波电容C11的另一端相连；

电压转换芯片U2的INHIBIT管脚和NC管脚悬空；

稳压电路包括双端稳压二极管D2；

恒流源电流设定电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；电阻R3的一端与电阻R4的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R5的一端、电阻R6的一端、电阻R4的另一端相连；电阻R5的另一端与电阻R6的另一端相连；

电阻R3的一端与双端稳压二极管D2的一端相连；

电阻R5的另一端与电流锁定电路5中的三极管Q2的发射极相连；

通路保护电路包括电阻R1和电阻R2；

恒流源电流锁定电路包括PNP型三极管Q1、PNP型三极管Q2及滤波电容C11；

恒流源电压抑制电路包括电阻R7和电阻R8；

防倒灌电路包括二极管D3；

双端稳压二极管D2的另一端与电阻R1的一端、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与PNP型三极管Q1的基极相连，PNP型三极管Q1的发射极与PNP型三极管Q2的基极相连，PNP型三极管Q1的集电极与滤波电容C11的一端相连；滤波电容C11的另一端与电阻R1的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端相连；PNP型三极管Q2的集电极与电阻R7的一端、电阻R8的一端、二极管D3的正端相连。

恒流源供电电路将常用的28V电压信号转换为恒流源电路需要的12V电压信号，恒流源供电电路的输出电压可直接提供给恒流源电路，实际使用过程中可以视电源电压的具体值选定不同的滤波器U1、电压转换芯片U2。

稳压电路主要作用为将恒流源供电电路输出的电压值转换为稳定电压U0，通过该稳定电压U0为恒流源电流设定电路提供稳定的电压输入，从而产生恒定电流I。

本发明中稳压电路的双端稳压二极管D2的型号为2DW236，该双端稳压二极管D2为硅温度补偿二极管，能够为后级设备提供较为稳定的电压输入。

恒流源电流设定电路中的四个电阻为并串联结构，可以有效防止因为单个电阻发生短路故障时对电路造成的损害，且因为串并联设计的引入以及电阻阻值的合理选取，可以使该恒流源电路在电阻R3～R6发生一度故障的情况下恒流源的输出电流仍然能够稳定在安全范围内，确保不会对被测试设备造成损害。

通路保护电路中R1的功能主要为稳压二极管提供供电回路，其电阻阻值可根据需要进行选择，实际使用过程中应考虑恒流源供电电路的输出能力及该电阻的发热情况合理选择阻值。同时，保护电阻R1还能够保证在稳压二极管D2发生击穿短路故障后，对恒流源供电电路进行保护，防止恒流源供电电路烧毁。保护电阻R2的功能与R1相似，因为R2串在恒流源电流锁定电路内三极管Q1的基极，能够起到一定的限流、保护作用，但因三极管Q2的发射级电流已经被恒流源电流设定电路限定住，因此流经R1电阻的电流可忽略不计，计算电压时R1电阻两端的电压也可以忽略不计。

恒流源电流锁定电路的组合电路能够有效提高该恒流源电路的性能，减小了流经电阻R2的电流，使该电路具有较高的温度稳定性。本发明中三极管Q1和Q2的型号均为3CG130C，该三级管为中功率高频三极管，具有较大的直流放大系数，能够保证恒流源输出电流的稳定性。三极管Q1集电极处滤波电容C11的引入，可以有效得滤除本恒流源电路中的交流分量，并且使三极管Q2工作在稳定的静态工作点附近。

恒流源电压抑制电路中的R7与R8的电阻阻值需要依据被测试设备的具体情况进行选取。通过R7与R8的引入，恒定电流II中有部分电流由R7、R8流回恒流源负端，从而有效抑制了恒流源接通瞬间加在被测试设备两端的瞬时高压，从而保护了被测试设备的安全。通过R7与R8并联的形式，合理选取两电阻的阻值，可以使该电路能够在一度故障的情况下，仍然能够有效抑制恒流源接通瞬间产生的瞬时高压并且确保流过被测试设备的电流在安全范围内。

防倒灌二极管D3的引入主要是为了保护恒流源电路不受外部被测试设备的影响，保护电路不会因为被测试设备故障及外部异常电流接入时对恒流源电路产生损害。

有益效果

本发明的恒流源电路，可有效抑制恒流源电路接通瞬间产生的瞬时高电压，从而保护被测试设备，同时该恒流源电路将电流设定电阻进行了串并联处理，增强了恒流源电路的可靠性，通过设定电阻阻值的合理选取能够使恒流源电路在一度故障的情况下仍然能够保持在安全电流的范围内，从而避免对用电设备造成损害。

附图说明

图1为本发明的电路组成示意框图；

图2为本发明的电路的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和发明对本发明作进一步说明。

实施例

如图1和图2所示，一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路包括恒流源供电电路1、稳压电路2、恒流源电流设定电路3、通路保护电路4、恒流源电流锁定电路5、恒流源电压抑制电路6和防倒灌电路7；

本发明电路中通过恒流源供电电路1为恒流源电路提供电压输入，通过稳压电路2将恒流源供电电路1产生的电压进行锁定产生稳定电压，该稳定电压通过恒流源电流设定电路3转化为恒定电流I，恒定电流I经恒流源电流锁定电路5产生恒定电流II，该恒定电流II已经具备恒流源的特性，随后恒定电流II经恒流源电压抑制电路6对恒定电流II进行电压抑制产生恒定电流III，恒定电流III经过防倒灌电路7后输出最终恒定电流，利用该恒定电流进行通路监测、器件测量时能够保证被测试设备的安全；通过通路保护电路4对稳压电路2和恒流源电流锁定电路5进行电压保护。

恒流源供电电路1包括滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4、滤波电容C5、滤波电容C6、滤波电容C7、滤波电容C8、滤波电容C9、滤波电容C10、电感L1、稳压二极管D1、滤波器U1和电压转换芯片U2；

滤波电容C2的一端与电源负极相连，滤波电容C2的另一端与滤波电容C1的一端相连，滤波电容C1的另一端与电压正极、电感L1的一端相连，电感L1的另一端与滤波电容C3的一端、滤波电容C5的一端、滤波电容C7的一端、稳压二极管D1的负端、滤波器U1的+Vin管脚相连；

滤波器U1的+Vout管脚与电压转换芯片U2的+Vin管脚相连；

滤波器U1的CASE管脚与电压转换芯片U2的CASE管脚相连；

电压转换芯片U2的INHIBIT管脚和NC管脚悬空；

稳压电路2包括双端稳压二极管D2；

恒流源电流设定电路3包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；电阻R3的一端与电阻R4的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R5的一端、电阻R6的一端、电阻R4的另一端相连；电阻R5的另一端与电阻R6的另一端相连；

电阻R3的一端与双端稳压二极管D2的一端相连；

通路保护电路4包括电阻R1和电阻R2；

恒流源电流锁定电路5包括PNP型三极管Q1、PNP型三极管Q2及滤波电容C11；

恒流源电压抑制电路6包括电阻R7和电阻R8；

防倒灌电路7包括二极管D3；

待测试的负载RL的一端与本发明的电路的二极管D3的负端相连，待测试的负载RL的另一端与电阻R8的另一端相连。

上电时，恒流源供电电路1将28V电源转化为V₀＝12V电压信号供恒流源电路使用，由于稳压二极管的稳压作用，使电压V₁＝V₀-V_D2，由于本发明中所选用的三极管放大倍数β>100，因此流经电阻R2处的电流可忽略不计，从而VR2可忽略不计，由此可得V_E＝V₁+V_R2+2V_BE≈V₁+2V_BE，至此可得：

I_{C} \approx I_{E} = \frac{V_{0} - V_{E}}{R_{E}} \approx \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{E}}

此处，R_E为电阻R₃～R₆经串并联后的等效电阻。本发明中，为了分析简单，选取R₃＝R₄＝R₅＝R₆＝R_set，由图2可知，R_E＝R_set。

至此可得，本发明中恒流源电路向外输出的最大电流I_C。

本发明中，在传统恒流源的输出端设置了恒流源电压抑制电路6，由于该电路的引入，使的电流I_C中的部分电流会由该电路流回恒流源负端，设被测试设备的等效负载为R_L，则恒流源电路实际输出电流：

I_{O} = \frac{R_{7} R_{8}}{R_{7} R_{8} + R_{7} R_{L} + R_{8} R_{L}} I_{C}

为了简单起见，本发明中选取R₇＝R₈＝R_res，则：

I_{O} = \frac{R_{res}}{R_{res} + {2 R}_{L}} I_{L} = \frac{R_{res}}{R_{res} + {2 R}_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + {2 V}_{BE})}{R_{E}}

因此，在进行电路设计过程中，只要根据负载R_L的情况，合理选择电流设定电阻R_set、电压抑制电路电阻R_res的阻值，使得恒流源输出电流I_O在被测试设备的安全电流范围内，即可以确保被测试设备的安全。

下面将讨论恒流源电压抑制电路6的引入对本发明恒流源电路的测试控制开关接通瞬间恒流源对外输出的瞬时高电压的影响。

在不设置恒流源电压抑制电路6的情况下，恒流源电路在接通前I_C端处于开路状态，因此接通瞬时恒流源对外输出电压为

V_INS＝V₀-2V_BE

其中V_BE为PN结的导通电压，一般在0.6～0.8左右，可见接通瞬间几乎是将电源模块的输出电压直接加载到了被测试设备的两端，存在一定的测试风险。

设置恒流源电压抑制电路6后，恒流源电路在电源模块对外输出电压以后就已经开始工作，因此在测试控制开关接通前恒流源电路已经处在了工作稳定状态，从而消除了测试控制开关接通瞬间的瞬时高压，此时接通瞬间恒流源对外输出电压为

V_{INS} = \frac{1}{2} R_{res} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{E}} = \frac{1}{2} R_{res} I_{C}

通常恒流源电流I_C在100mA左右，因此通过适当选取电压抑制电阻R_res的取值，可以将测试控制开关接通瞬间恒流源对外输出的电压控制在几百个毫伏左右，从而从根本上保证了被测试设备的安全。

下面将针对恒流源电流设置电路3及恒流源电压抑制电路6分别进行故障情况下的讨论，探讨本发明在发生不同程度的故障时是如何保证依然能够对外输出安全、稳定的电流。

一、恒流源电流设定电路3发生一度故障情况下对外输出电流的探讨

本发明中将传统恒流源电路中的电流设定电阻进行了串并联处理，因此，本发明电路可以确保在电阻R₃～R₆产生一度故障(断路或短路)的情况下，依然能够向外输出恒定电流，具体讨论如下：

电阻R₃～R₆中任一电阻发生断路的情况下：

由图2可得，

R_{E}^{'} = \frac{3}{2} R_{set} = \frac{3}{2} R_{E},

I_{C}^{'} \approx I_{E}^{'} = \frac{V_{0} - V_{E}}{R_{E}^{'}} \approx \frac{2}{2} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{E}} = \frac{2}{3} I_{C}

电阻R₃～R₆中任一电阻发生短路的情况下：

由图2可得，

R_{E}^{''} = \frac{1}{2} R_{set} = \frac{1}{2} R_{E},

I_{C}^{''} \approx I_{E}^{''} = \frac{V_{0} - V_{E}}{R_{E}^{''}} \approx 2 \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{E}} = 2 I_{C}

至此可得，在考虑一度故障的情况下，本发明中恒流源电路集电极电流取值范围为

\frac{2}{3} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{set}} = I_{C}^{'} < I_{C} < I_{C}^{''} = 2 \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{set}}

从而

\frac{2}{3} \frac{R_{res}}{R_{res} + 2 R_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{set}} = I_{O}^{'} < I_{O} < I_{O}^{''} = 2 \frac{R_{res}}{R_{res} + 2 R_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{set}}

因此，可以根据被测试设备R_L的大小和安全电流大小，选取合适的电流设置电阻R_set及电压抑制电阻R_res，可以使本发明在电流设置电路发生一度故障的情况下对外输出电流依然维持在安全的范围内，从而既增强了该恒流源电路的可靠性又保证被测试设备的安全。

二、恒流源电压抑制电路6发生一度故障情况下对外输出电流的探讨

本发明中的恒流源电压抑制电路6采取了双电阻并联的形式，可以确保在恒流源电压抑制电路发生一度故障的情况下依然能够保证被测试设备的安全性，具体如下：

电阻R₇、R₈中任一电阻发生断路故障时，

I_{O}^{'} = \frac{R_{res}}{R_{res} + R_{L}} I_{C} = \frac{R_{res}}{R_{res} + R_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + {2 V}_{BE})}{R_{E}} = (1 + \frac{R_{L}}{R_{res} + R_{L}}) I_{O}

由此可见，在R₇、R₈中某一电阻发生短路故障时，恒流源对外输出电流会有所升高，但是通过选取合理的电压抑制电阻阻值R_res，可以使电路对外输出电流依然维持在安全的范围内，从而保证被测试设备的安全。

电阻R₇、R₈中任一电阻发生短路故障时，恒流源电流锁定电路中三极管Q2集电极电流I_C会全部经由短路电阻流回恒流源负端而使I″_O＝0，因此虽然会导致测试任务失败，但是依然能够保证被测试设备的安全。

综上所述，在进行恒流源电路设计过程中，只要根据负载R_L的情况，合理选择电流设定电阻R_set和电压抑制电路电阻R_res的阻值，确保下列边界条件成立，就可以确保恒流源电路输出电流I_O始终维持在被测试设备的安全电流范围内，且在电路发生一度故障的情况下，依然能够在确保被测试设备安全的前提下，完成测试任务。

\{\begin{matrix} I_{floor} = \frac{2}{3} \frac{R_{res}}{R_{res} + 2 R_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + {2 V}_{BE})}{R_{set}} > I_{TEST} \\ I_{cel 1} = 2 \frac{R_{res}}{R_{res} + 2 R_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{set}} < I_{SAFE} \\ I_{cel 2} = \frac{R_{res}}{T_{res} + R_{L}} \frac{V_{0} - (V_{1} + 2 V_{BE})}{R_{E}} < I_{SAFE} \end{matrix}

其中I_floor为恒流源电流设定电路3发生一度故障时恒流源对外输出电流的最小值，I_cel1、I_cel2分别为恒流源电流设定电路3和恒流源电压抑制电路6分别发生一度故障的条件下恒流源电路对外输出电流的最大值，I_TEST为被测试电路最低测试电流，I_SAFE为被测试电路最大安全电流。

本发明的优点：

(1)将恒流源电流设定电阻进行串并联处理，可以使该恒流源电路在电流设定电阻一度故障(断路或短路)的情况下仍然能够保证对外输出的电流在安全范围内，继续完成测试工作，从而提高了该电路的可靠性，并且保证了被测试设备的安全；

(2)通过恒流源电压抑制电路的引入能够有效的抑制恒流源接通瞬间产生的瞬时高压，提高了电路的安全性；

(3)恒流源电压抑制电路采用双电阻并联的形式，可以保证在单个电阻发生断路故障的情况下，仍然能够保证对外输出的电流在安全范围内，既确保了被测试设备的安全，又能够继续完成测试工作；

(4)通过滤波电容的引入能够有效滤除恒流源电路中的交流分量，从而提高电路的可靠性和稳定性；

(5)本发明电路简单、可靠、便于实现，能够很容易的应用到其它类似的设计电路中。

Claims

1.一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路，其特征在于：该电路包括恒流源供电电路、稳压电路、恒流源电流设定电路、通路保护电路、恒流源电流锁定电路、恒流源电压抑制电路和防倒灌电路；

滤波器U1的+Vout管脚与电压转换芯片U2的+Vin管脚相连；

滤波器U1的CASE管脚与电压转换芯片U2的CASE管脚相连；

稳压电路包括双端稳压二极管D2；

电阻R3的一端与双端稳压二极管D2的一端相连；

通路保护电路包括电阻R1和电阻R2；

恒流源电压抑制电路包括电阻R7和电阻R8；

防倒灌电路包括二极管D3；

2.根据权利要求1所述的一种具有抑制接通瞬间高电压功能的高可靠恒流源电路，其特征在于：双端稳压二极管D2的型号为2DW236，该双端稳压二极管D2为硅温度补偿二极管。