CN115061527A - 压控电流源的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控电流源的控制方法，该压控电流源包括用于生成控制信号的控制模块。控制模块包括用于输出第一精度信号的第一控制电路、用于输出第二精度信号的第二控制电路、以及用于加成第一精度信号和第二精度信号的信号加成器件。第一精度信号的分辨率大于第二精度信号的分辨率。本申请实施方式的压控电流源中，通过第一控制电路和第二控制电路生成相应的第一精度信号和第二精度信号，两个精度信号经过信号加成器件的加成会产生一个放大信号。其中，第一精度信号的分辨率大于第二精度信号的分辨率，两个精度信号的分辨率组合，从而实现以较低分辨率的器件得到所需较大的输出动态范围。

Description

压控电流源的控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种压控电流源的控制方法。

背景技术

电流源作为一种电源，其应用十分广泛，从一般精度要求的LED控制，到精密的磁通门测量，都可以发现电流源的身影。电流源的种类十分丰富，根据其漂移、功率大小、直流准确度、带宽等参数的要求，我们可以通过选择特定的架构和特定参数的电路元件实现所需的电流源。常用的电流源一般指电压控制电流源，即通过转换电路，将输入的电压信号转换为系统所需的电流驱动，并且输入的电压信号与输出的电流之间存在特定的线性关系。但在某些特殊的应用领域，输出的电流跨度非常大，从数十倍安培到数十安培，并且需要在整个量程下保持线性度，这就要考虑电流源的一个参数——输出动态范围，但以目前的数模转换器分辨率难以达到所需的电流源的输出动态范围。

发明内容

本发明提供一种压控电流源的控制方法，所述压控电流源包括用于生成控制信号的控制模块，所述控制模块包括用于输出第一精度信号的第一控制电路、用于输出第二精度信号的第二控制电路、以及用于加成所述第一精度信号和所述第二精度信号的信号加成器件，所述第一精度信号的分辨率M大于所述第二精度信号的分辨率N；

所述控制方法包括：

获取对应于所述控制信号的所述信号加成器件输入信号S，

S/M＝a余S'，S'/N≈b，b为四舍五入的结果，

所述第一精度信号为aM，所述第二精度信号为bN。

在某些实施方式中，所述信号加成器件为第一运放。

在某些实施方式中，所述第一控制电路包括第一数模转换器；所述第二控制电路包括第二数模转换器、以及用于对所述第二数模转换器输出信号进行衰减的衰减电路；

所述控制方法包括：

获取所述第一数模转换器的参考电压V₁、采样码位数m，所述第一数模转换器的采样码为aM2^m/V₁；

获取所述第二数模转换器的参考电压V₂、采样码位数n，所述衰减电路的衰减比例p，所述第二数模转换器的采样码为bN2ⁿ/pV₂。

在某些实施方式中，所述衰减电路包括：用于对所述第二数模转换器输出的电压信号进行分压的串联电阻对R1和R2、用于接收所述串联电阻对中电阻R1分压信号并跟随输出信号的第二运放；

所述控制方法包括：

通过调节R1和R2，控制p＝R1/(R1+R2)。

在某些实施方式中，所述控制模块包括用于给所述第一数模转换器和所述第二数模转换器提供基准信号的参考电压V_REF；

所述控制方法包括：

所述第一数模转换器的采样码为aM2^m/V_REF；

所述第二数模转换器的采样码为bN2ⁿ/pV_REF。

在某些实施方式中，所述第二精度信号的量程等于所述第一精度信号的分辨率；

所述控制方法包括：

使R2＝(2^m+1)R1；

所述第一数模转换器的采样码为aM2^m/V_REF；

所述第二数模转换器的采样码为bN2^n+m/V_REF。

在某些实施方式中，还包括用于给所述控制模块供电的控制电源。

在某些实施方式中，还包括用于接收所述控制信号并控制功率电源向负载输出第一驱动电流的驱动模块，所述驱动模块还用于采集流过所述负载的第二驱动电流并根据所述第二驱动电流调节所述第一驱动电流。

在某些实施方式中，所述驱动模块包括电流控制元件、采样电阻和第三运放，所述电流控制元件连接所述负载和所述采样电阻的第一端，所述第三运放的第一输入端用于接收所述控制电压，所述第三运放的第二输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第三运放的输出端根据所述控制电压和所述采样电阻反馈的反馈电压控制所述电流控制元件的状态以控制所述第二驱动电流的通过；

所述电流控制元件包括晶体管，所述晶体管的第一端连接所述负载，所述晶体管的第二端连接所述采样电阻的第一端，所述晶体管的第三端与所述第三运放的输出端电连接。

在某些实施方式中，所述驱动模块还包括补偿电路和第四电阻；

所述补偿电路包括电容和第三电阻，所述补偿电路连接在所述第三运放的输出端和所述采样电阻的第一端之间，所述补偿电路用于稳定所述驱动模块；

所述电容的第一端连接所述第三运放的输出端，所述电容的第二端连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的第二端连接所述采样电阻的第一端；

所述第四电阻的第一端连接第三运放的输出端，所述第四电阻的第二端连接所述电流控制元件。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的压控电流源的模块示意图；

图2是本发明实施方式的控制单元的电路示意图；

图3是本发明实施方式的执行单元的电路示意图。

主要元件符号说明：压控电流源100；控制单元10；执行单元20；控制模块11；控制电源13；功率电源21；驱动模块23；负载25；衰减电路27；第一运放AMP1；数模转换电路29；第一数模转换器DAC1；第二数模转换器DAC2；第一运放的第一输入端A1；第一运放的第二输入端A2；第一电阻R1；第二电阻R2；第二运放AMP2；采样电阻R5；第三运放AMP3；第三运放的第一输入端B1；第三运放的第二输入端B2；晶体管Q1；补偿电路231；电容C1；第三电阻R3；第四电阻R4；电流控制元件T1；控制电路26。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1和图2，本申请实施方式提供一种压控电流源的控制方法，压控电流源100包括用于生成控制信号的控制模块11。控制模块11包括用于输出第一精度信号的第一控制电路、用于输出第二精度信号的第二控制电路、以及用于加成第一精度信号和第二精度信号的信号加成器件，第一精度信号的分辨率M大于第二精度信号的分辨率N；

控制方法包括：

获取对应于控制信号的信号加成器件输入信号S，

S/M＝a余S'，S'/N≈b，b为四舍五入的结果，

第一精度信号为aM，第二精度信号为bN。

本申请实施方式的压控电流源100中，通过第一控制电路和第二控制电路生成相应的第一精度信号aM和第二精度信号bN，两个精度信号经过信号加成器件的加成会产生一个放大信号。其中，第一精度信号aM的分辨率M大于第二精度信号bN的分辨率N，两个精度信号的分辨率组合，从而实现以较低分辨率的器件得到所需较大的输出动态范围。

具体地，控制模块11可以为控制单元10的组成模块，控制单元10中有用于接收外部指令的对外接口，对外接口可以是数字的，也可以是模拟的，外部指令可以是“设定电流”等模拟或数字信号。第一控制电路和第二控制电路所生成的精度信号可以通过信号加成器件获得加成，信号加成器件理论上可加成的倍率为无限大。

请参阅图2，在某些实施方式中，信号加成器件为第一运放AMP1。

如此，通过第一运放AMP1的信号可以被执行数学计算。

具体地，第一运放AMP1可以为任意符合本发明需求的运算放大器。第一运放的第一输入端A1用于输入第一精度信号aM，第一运放的第二输入端A2用于输入第二精度信号bN。第一精度信号aM和第二精度信号bN在通过第一运放AMP1时被执行加法运算，从而得到控制电压VC。

请参阅图2，在某些实施方式中，第一控制电路包括第一数模转换器DAC1。第二控制电路包括第二数模转换器DAC2、以及用于对第二数模转换器DAC2输出信号进行衰减的衰减电路27。；

控制方法包括：

获取第一数模转换器DAC1的参考电压V₁、采样码位数m，第一数模转换器DAC1的采样码为aM2^m/V₁；

获取第二数模转换器DAC2的参考电压V₂、采样码位数n，衰减电路27的衰减比例p，第二数模转换器DAC2的采样码为bN2ⁿ/pV₂。

如此，采用两个数模转换器可以实现组合两个数模转换器的分辨率，从而以单个较低的数模转换器分辨率得到所需的较大的输出动态范围。

具体地，在一个实施例中，所需的输出动态范围为180dB，如果采用单片数模转换器实现控制电压VC的生成，数模转换器的采样码位数需要达到30bits以上。

请参阅图2，在某些实施方式中，衰减电路27包括用于对第二数模转换器DAC2输出的电压信号进行分压的串联电阻对R1和R2、用于接收串联电阻对中电阻R1分压信号并跟随输出信号的第二运放AMP2；

控制方法包括：

通过调节R1和R2，控制p＝R1/(R1+R2)。

如此，衰减电路27可以对第二数模转换器DAC2输出的电压信号进行分压，串联电阻对构成反馈电路，以使第二运放AMP2实现放大功能。

具体地，在一个实施例中，衰减电路27一端连接第二数模转换器DAC2，另一端连接第一运放的第二输入端A2，第二数模转换器DAC2输出的电压值为V_S，串联电阻对包括第一电阻R1和第二电阻R2，衰减串联电池对的衰减比例为p＝R₂/(R₁+R₂)，输出的电压值为pV_s。

请参阅图2，在某些实施方式中，控制模块11包括用于给第一数模转换器DAC1和第二数模转换器DAC2提供基准信号的参考电压V_REF；

控制方法包括：

第一数模转换器DAC1的采样码为aM2^m/V_REF；

第二数模转换器DAC2的采样码为bN2ⁿ/pV_REF。

如此，第一数模转换器DAC1和第二数模转换器DAC2根据呈现在两者输入端上的数字输入信号，从参考电压中选择和产生模拟输出。

具体地，第一数模转换器DAC1和第二数模转换器DAC2可以通过外部接口实现受控，两者的参考电压可以相同，也可以不同，在一个实施例中，第一数模转换器DAC1和第二数模转换器DAC2的参考电压为同一参考电压V_REF。

请参阅图2，在某些实施方式中，第二精度信号bN的量程等于第一精度信号aM的分辨率M；

控制方法包括：

使R2＝(2^m+1)R1；

第一数模转换器DAC1的采样码为aM2^m/V_REF；

第二数模转换器DAC2的采样码为bN2^n+m/V_REF。

如此，第二精度信号bN的量程等于第一精度信号aM的分辨率M保证了系统的线性度最优。

具体地，在一个实施例中，第一数模转换器DAC1的采样码位数为m bits，第二数模转换器DAC1的采样码位数为n bits，第二数模转换器DAC2满量程输出时衰减得到的电压值刚好等于第一数模转换器DAC1的电压分辨率，即

不难理解，在上述情况下，第一精度信号aM的量程为V_REF，第一精度信号aM的分辨率M为

第二精度信号bN的量程为

第二精度信号bN的分辨率N为

即

请参阅图1，在某些实施方式中，压控电流源100还包括用于给控制模块11供电的控制电源13。

如此，控制模块11可以从控制电源13获得稳定的电能供应。

具体地，在一个实施例中，控制电源13的输出端连接控制模块11的输入端。

在另一个实施例中，控制电源13用于给压控电流源100的其他部件供电，控制模块11和压控电流源100的其他部件采用同一电源可以节省成本，采用不同电源则可按照不同的电路所需配置最佳的电信号，以使目标电路以最高效能运行。

请参阅图1和图3，在某些实施方式中，压控电流源100还包括用于接收控制信号并控制功率电源21向负载25输出第一驱动电流的驱动模块23，驱动模块23还用于采集流过负载25的第二驱动电流ID并根据第二驱动电流ID调节第一驱动电流。

如此，驱动模块23接收控制单元10产生的控制电压VC，并将控制电压VC转换为第二驱动电流ID并使第二驱动电流ID流过负载25。

具体地，驱动模块23可以为执行单元20的组成模块，执行单元20接收来自控制单元10输出的控制电压VC，执行单元20包括功率电源21，功率电源21和控制电源13可以是同一路电源也可以是不同路电源，功率电源21的连接控制模块11并向负载25输出第一驱动电流。驱动模块23实时对第二驱动电流ID进行采样，以消除误差，实现对电路中电流的闭环控制。

请参阅图3，在某些实施方式中，驱动模块23包括电流控制元件T1、采样电阻R5和第三运放AMP3，电流控制元件T1连接负载25和采样电阻R5的第一端，第三运放AMP3的第一输入端用于接收控制电压VC，第三运放的第二输入端B2连接采样电阻R5的第一端，第三运放AMP3的输出端根据控制电压VC和采样电阻R5反馈的反馈电压控制电流控制元件T1的状态以控制第二驱动电流ID的通过；

电流控制元件T1包括晶体管Q1，晶体管Q1的第一端连接负载25，晶体管Q1的第二端连接采样电阻R5的第一端，晶体管Q1的第三端与第三运放AMP3的输出端电连接。

如此，驱动模块23以一个运放电路控制电流控制元件T1的状态以控制第二驱动电流ID的通过。

具体地，驱动模块23的输入端接收来自控制单元10的控制电压VC。经过采样电阻R5后，若反馈电压VF与控制电压VC误差大于某一预设值，则驱动控制电流控制元件T1断开，若反馈电压VF与控制电压VC误差小于某一预设值，则驱动控制电流控制元件T1导通，从而使得第二驱动电流ID通过电流控制元件T1。

晶体管Q1具有单向导电性，晶体管Q1的第二端也可以接地，以实现晶体管Q1内部与外电路的连接，增加抗干扰和抗屏蔽的能力。通过比较第三运放的第一输入端B1的电压VC与第三运放的第二输入端B2的电压VF之间的误差值来产生误差电压,将误差电压放大后，第三运放AMP3根据产生的误差电压产生PWM波来控制晶体管Q1的导通。

第三运放的第一输入端B1用于接收控制电压VC，第三运放的第二输入端B2连接采样电阻R5的第一端，第三运放AMP3的输出端根据控制电压VC和采样电阻R5反馈的反馈电压VF控制电流控制元件T1的状态以控制第二驱动电流ID的通过。

当反馈电压VF与控制电压VC的误差大于某一预设值时，第三运放的第一输入端B1与第三运放的第二输入端B2之间的电压差经放大后，晶体管Q1断开；当反馈电压VF与控制电压VC的误差小于某一预设值时，第三运放的第一输入端B1与第三运放的第二输入端B2之间的电压差经放大后，晶体管Q1闭合导通，从而得到所需的流过负载25的第二驱动电流ID，最终的控制电压VC的关系式为VC＝VF＝ID*R₅，控制电压VC和第二驱动电流ID之间存在一个线性关系，这样我们就实现了本实施例的压控电流源100。

在一个实施例中，通过控制模块11，可以设定第一数模转换器DAC1和第二数模转换器DAC2的采样码，分别记为CODE_m和CODE_s，并且两者满足CODE_m∈{0,2^m}，CODE_s∈{0,2ⁿ}。根据常规数模转换器的输出特性，我们可以得到

由此可得

同时可以得到第二驱动电流

为了保证系统的线性度最优，我们需要保证DAC2满量程输出时衰减得到的电压值刚好等于DAC1的电压分辨率，即

那么第二驱动电流ID的计算公式变为

当CODE_m＝0，CODE_s＝1时，输出的有效电流最小，为

当CODE_m＝2^m，CODE_s＝2ⁿ时，输出的有效电流最大，为

这样，电流源的输出动态范围为

请参阅图3，在某些实施方式中，驱动模块23还包括补偿电路231和第四电阻R4；

补偿电路231包括电容C1和第三电阻R3，补偿电路231连接在第三运放AMP3的输出端和采样电阻R5的第一端之间，补偿电路231用于稳定驱动模块23；

电容C1的第一端连接第三运放AMP3的输出端，电容C1的第二端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的第二端连接采样电阻R5的第一端；

第四电阻R4的第一端连接第三运放AMP3的输出端，第四电阻R4的第二端连接电流控制元件T1。

如此，补偿电路231可以稳定驱动模块23，第四电阻R4用于分担驱动模块23中的电流。

具体地，电容C1用于防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声，地电位是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。第三电阻R3用于为电容C1提供泄放通路，在停止工作后，通过电阻泄放掉电容C1两端的存储的电能，以防发生电气安全事故，第四电阻R4用于分担第三运放AMP3输出的电流，保证电路中所有电阻所产生的热量远低于额定功率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种压控电流源的控制方法，其特征在于，所述压控电流源包括用于生成控制信号的控制模块，所述控制模块包括用于输出第一精度信号的第一控制电路、用于输出第二精度信号的第二控制电路、以及用于加成所述第一精度信号和所述第二精度信号的信号加成器件，所述第一精度信号的分辨率M大于所述第二精度信号的分辨率N；

所述控制方法包括：

获取对应于所述控制信号的所述信号加成器件输入信号S，

S/M＝a余S'，S'/N≈b，b为四舍五入的结果，

所述第一精度信号为aM，所述第二精度信号为bN。

2.根据权利要求1所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述信号加成器件为第一运放。

3.根据权利要求1所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述第一控制电路包括第一数模转换器；所述第二控制电路包括第二数模转换器、以及用于对所述第二数模转换器输出信号进行衰减的衰减电路；

所述控制方法包括：

获取所述第一数模转换器的参考电压V₁、采样码位数m，所述第一数模转换器的采样码为aM2^m/V₁；

获取所述第二数模转换器的参考电压V₂、采样码位数n，所述衰减电路的衰减比例p，所述第二数模转换器的采样码为bN2ⁿ/pV₂。

4.根据权利要求3所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述衰减电路包括：用于对所述第二数模转换器输出的电压信号进行分压的串联电阻对R1和R2、用于接收所述串联电阻对中电阻R1分压信号并跟随输出信号的第二运放；

所述控制方法包括：

通过调节R1和R2，控制p＝R1/(R1+R2)。

5.根据权利要求3所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述控制模块包括用于给所述第一数模转换器和所述第二数模转换器提供基准信号的参考电压V_REF；

所述控制方法包括：

所述第一数模转换器的采样码为aM2^m/V_REF；

所述第二数模转换器的采样码为bN2ⁿ/pV_REF。

6.根据权利要求5所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述第二精度信号的量程等于所述第一精度信号的分辨率；

所述控制方法包括：

使R2＝(2^m+1)R1；

所述第一数模转换器的采样码为aM2^m/V_REF；

所述第二数模转换器的采样码为bN2^n+m/V_REF。

7.根据权利要求1所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，还包括用于给所述控制模块供电的控制电源。

8.根据权利要求1所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，还包括用于接收所述控制信号并控制功率电源向负载输出第一驱动电流的驱动模块，所述驱动模块还用于采集流过所述负载的第二驱动电流并根据所述第二驱动电流调节所述第一驱动电流。

9.根据权利要求8所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述驱动模块包括电流控制元件、采样电阻和第三运放，所述电流控制元件连接所述负载和所述采样电阻的第一端，所述第三运放的第一输入端用于接收所述控制电压，所述第三运放的第二输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第三运放的输出端根据所述控制电压和所述采样电阻反馈的反馈电压控制所述电流控制元件的状态以控制所述第二驱动电流的通过；

所述电流控制元件包括晶体管，所述晶体管的第一端连接所述负载，所述晶体管的第二端连接所述采样电阻的第一端，所述晶体管的第三端与所述第三运放的输出端电连接。

10.根据权利要求8所述的压控电流源的控制方法，其特征在于，所述驱动模块还包括补偿电路和第四电阻；

所述补偿电路包括电容和第三电阻，所述补偿电路连接在所述第三运放的输出端和所述采样电阻的第一端之间，所述补偿电路用于稳定所述驱动模块；

所述电容的第一端连接所述第三运放的输出端，所述电容的第二端连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的第二端连接所述采样电阻的第一端；

所述第四电阻的第一端连接第三运放的输出端，所述第四电阻的第二端连接所述电流控制元件。

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