直流電流源的特性分析與電路設計

馬 薇，陳立偉，袁 靜

（長春工程學院電氣與信息工程學院，長春130012）

直流電流源的特性分析與電路設計

馬 薇，陳立偉，袁 靜

（長春工程學院電氣與信息工程學院，長春130012）

對直流電流源的原理與特性進行了詳細的敘述，并將電流源與電壓源作了對比分析，介紹了幾種常用的直流電流源電路，并設計了兩種不同類型的直流電流源。

直流電流源；線性；脈寬調制

隨著現代電子技術的發展，直流電流源的應用日趨廣泛，如在工業自動化、智能化儀器儀表以及其他數字控制方面都需要使用電流源為設備供電。因此，研究和開發恒定電流源具有十分重要的意義。現代電子工藝的高度發展給我們提供了許多小型化、集成化的電壓源，但對于專用電流源，特別是工作電流大、精度高的個性化電流源仍需使用者自行設計。

1 直流電流源簡述

直流電流源是一種能以恒定電流方式為負載或電路提供電能的裝置。作為直流穩定電源的一種，直流電流源同直流穩壓電源一樣是組成電路的最基本元件之一。作為穩定電源，同穩壓電源一樣，也有其自身的特性和應用場合。

1．1 電流源的基本概念與特點

直流電流源在電路中是一個二端器件，它能為其所驅動的電路提供恒定電流，而其端鈕兩端電壓卻是任意的。

理想的直流電流源是實際電流源抽象出來的一種模型。電流源的內阻相對于負載阻抗來說很大，負載阻抗變化不會改變輸出電流大小，在電流源回路中串聯電阻不會改變電流源的輸出電流，但電流源兩端的電壓會升高，輸出功率變大；減小電流源回路中的負載也不會改變電流源的輸出電流，但電流源兩端電壓會降低，輸出功率變小。

理想的直流電流源具有輸出電流恒定、等效內阻無窮大、兩端電壓可取隨意值等特點。

1．2 電流源與電壓源的類比

電流源是一個理想的電路元件，其輸出的電流i（t）為

式中iS（t）為給定時間的函數，稱為電流源的激勵電流。

從式（1）中可看出電流源的電流i（t）與元件的端電壓無關，總保持為給定時間的函數，而電流源的端電壓由外電路決定［1］。圖1（a）為實際電流源原理圖，其內阻R0通常為很大值。

電壓源也是一個理想的電路元件，它的端電壓u（t）為

式中uS（t）為給定時間的函數，稱為電壓源的激勵電壓。

從式（2）中可看出電壓源電壓u（t）與通過元件的電流無關，總保持為給定時間的函數，而電流的大小則由外電路決定［1］。圖1（b）為實際電壓源原理圖，其內阻R0通常為很小值。

圖1 電流源與電壓源對比圖

2 常見直流電流源電路介紹

2．1 直流電流源電路組成

直流電流源是輸出電流保持不變的直流電源，即能夠為電路或負載提供恒定直流的部件。從其基本組成的角度而言，直流電流源電路通常是由輸入級和輸出級構成，輸入級提供參考電流，輸出級輸出所需的恒定直流電流。

2．2 直流電流源的應用領域

直流電流源在工業自動化等領域應用廣泛，如為電子束加工機、離子注入機等電子設備提供穩定的直流電源，另外，半導體參數的測量也需采用直流電流源，而且它還是各型各類電池以及法拉電容理想的充電器電路。

2．3 常見直流電流源的分類

一般而言，直流電流源電路可以分為線性和非線性兩大類，其中線性調整直流電流源又可分為串聯調節和并聯調節兩種。而非線性直流電流源即開關直流電流源通常可分為脈寬調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）及混合型3種。

2．3．1 線性調整直流電流源的兩種基本形式

線性調整直流電流源電路的輸出電流與負載無關，通過使用功率管構成調整環節，利用晶體管平坦的輸出特性和深度負反饋電路可以得到穩定的恒流輸出和高輸出阻抗，實現了電壓對電流的控制。按取樣電阻接入位置的不同，線性調整式直流電流源會有兩種不同的電路結構。

首先，在圖2（a）所示的電路中，根據運算放大器同向端電壓的變化來調節輸出電流，其調控過程如下：當負載電阻RL變大時，流過負載的電流IL會有變小的趨勢。此時，運算放大器的輸出電壓UC便會變大，經過調節器調控使Ube增加，從而增大Ib的電流。由于IC＝βIb關系，故IC也會增大，最終使負載電流IL回調到穩定的預設值，從而完成對直流電流源電流的調控。在這里，運放的輸出電壓即回饋電壓UC＝Ube。

其次，在圖2（b）所示的電路中，根據運算放大器反向端電壓的變化來調節輸出電流，其調控過程如下：當負載電阻RL變小時，流過負載的電流IL（即三極管發射級輸出電流Ie）會變大，致使采樣電阻RS兩端的電壓US變大。由于采樣電阻RS的一端已接地，使得運算放大器反向輸入端的電壓增大，導致其輸出電壓UC變小，即三極管基極電壓變小，從而使三極管基極和發射極兩端的電壓Ube變小，Ib也隨之變小。由于Ie≈βIb，故Ie會隨Ib的減小而變小，從而負載電流IL變小并最終達到穩定的預設值，從而完成電路的恒流調控。在這里運放的輸出電壓即回饋電壓UC＝Ube＋UL＋US。

圖2 線性調整直流電流源電路

2．3．2 非線性直流電流源

1）基于PWM的開關直流電流源電路。該電路使用PWM調節器來控制電子開關的導通與關斷，控制功率開關的占空比。通過對占空比的調節來改變負載兩端的電壓，從而使通過負載RL的電流維持穩定。當負載電阻變化時，PWM調節器會檢測到一個變化的電壓信號，并與之前的基準電壓進行比較，使PWM調節器的輸出脈沖寬度變化，并進一步使電子開關的占空比發生變化，從而通過BUCK電路來使負載兩端的電壓隨之變化，達到穩定輸出電流的目的。電路原理圖如圖3所示。

圖3 基于PWM的直流電流源電路原理圖

2）基于PFM的開關直流電流源電路。該電路使用振蕩器來控制電子開關導通與關斷，控制功率開關的頻率。通過對頻率的控制來改變負載兩端的電壓，從而使通過負載RL的電流維持穩定。當負載電阻變化時，PFM控制器會檢測到一個變化的電壓信號，并與之前的基準電壓進行比較，使PFM控制器輸出的頻率發生變化，進一步使功率開關的頻率發生變化，從而通過BUCK電路來使負載兩端的電壓隨之變化，達到穩定輸出電流的目的。電路原理圖如圖4所示。

圖4 基于PFM的直流電流源電路原理圖

3 直流電流源的設計

3．1 線性調整式直流電流源的設計

通過對上述幾種直流電流源電路的分析和比較，我們選擇第一種線性調控直流電流源的設計方案，設計一個直流電流源電路。具體過程如下：

3．1．1 設計要求

采用串聯調整方式的第一種接法設計一種電流源，其設計要求如下：輸出電流IL＝2A；負載RL＝6Ω±0．6Ω；輸出電阻R0＝600Ω；穩流系數SI＜1%。

3．1．2 設計過程

1）采用第一種接法，運放輸出型；

2）確定取樣電阻RS，當I＝2A時，UIS＝1V，功耗PRS＝2W，實際選用RS＝0．5Ω時，PRS＝5W；

3）計算基準電壓EB：EB＝RS×IL（由此式計算得出結果為近似）；

4）選擇輸入電壓Ui：ΔUi＝0．1×Ui，ΔRL＝0．1× RL＝0．6Ω，當UCES＝3V時，取Ui＝20V。

5）選擇調整管：

UCEmax＝（Ui＋ΔUi）－［UIS＋IL（RL－ΔRL）］＝10．2V，PCmax＝24W。

若選3DD207型三極管，由β＝20，UCES＝3V，可得ICm＝6A，UCEO＝30V，PCmax＝75 W。

但當IC＝2A時，3DD207的β不滿足條件。而當選擇復合型三極管時，由IC＝2A，β＝20得IB＝ 100mA＝0．1A，因此選復合型三極管，采取兩級放大。

6）選擇推動管：

由UCEmax＝10．2V，IC＝100mA可得PCmax＝1．02W，當選擇3DD207時，由β＝50，UCE＝3V可得UCEO≥30V，ICm＝0．8A，PCmax＝5W；當IC＝100mA時故采用一般運放作為放大器均可滿足要求，只要運放能輸出2mA以上均可。

7）紋波處理：

即使輸入Ui最低時，也要保證輸出IL＝2A，UCES≥3V。因此

可得

UiPP≤1．6V。

8）計算放大器增益：

由IC1＝2A，IC2＝0．1A和特性曲線分別可得μT1＝320，μT2＝2 700，所以由

可得

再考慮R0的要求得：

取KOI≥KOI1≥KOI2，可得KOI＝KOI1，實際取KOI＝7，能滿足設計要求。

本設計采用LM358運放，雙電源15V供電，輸出電壓±10V，輸出電流10mA，開環增益105倍。設計電路圖如圖5所示。

圖5 線性調整式直流電流源實例圖

3．2 基于PWM的數控直流電流源設計

由于傳統直流電流源的輸出電流很難做到在一定范圍內輸出任意恒定電流值，或者說設計起來非常煩瑣，難以達到預期要求。采用單片機作為控制單元，能把檢測、顯示、預置以及保護等功能集于一體，通過軟件編程，靈活實現。圖6就是基于此種考慮設計的數控直流電流源電路的框圖。

圖7中的由三極管Q2、二極管D2以及電感L1共同組成了降壓式變換電路。系統工作原理如圖8所示：使用鍵盤對電流值進行預置，控制器把預置的數值送到液晶顯示器顯示，同時作為電流源的給定值。控制器輸出相應的脈沖信號來控制電子開關的開通與關斷。當系統處于工作狀態時，測量電路采集采樣電阻電壓值，通過A／D轉換電路將測量值作為反饋信息送入控制器，控制器對接收到的數據進行計算求得采樣電阻電流值，并與預置電流值進行

圖6 數控PWM大功率恒流電源原理框圖

圖7 數控PWM直流電流源硬件連線圖

圖8 數控PWM直流電流源編程流程圖

比較，由控制器根據比較結果作出相應調控，準確地輸出所需的穩定電流，從而構成閉環控制系統。若控制器接收到的采樣電阻電壓值大于設定數值時，控制器則會輸出一個信號將繼電器K1斷開，達到過壓保護的目的。

該系統的優點是可以根據用戶的需求，在輸出電流允許的范圍內，隨意設置所需電流值，均可以穩定輸出，工作可靠，應用靈活。另外，該裝置設有過壓保護電路，安全系數高。

4 結語

直流電流源作為電流源的一種，也作為直流穩定電源的一種，在電子負載和各式各類充電電路中有著很廣泛的應用，并在電源領域中扮演著重要角色。在實際工作中，應善于根據實際要求，選擇不同類型的電流源電路并做有針對性的應用設計，才能凸顯設計工作的重要性和實際價值。

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The Characteristics Analysis of DC Current Source and Circuit Design

MA Wei，etc．
（School of Electrical ＆Information Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

In this thesis，the principle and characteristics of DC current source has been narrated in details，and the current source has been compared with voltage source．Several frequently used DC current source circuits have been introduced and two different kinds of DC current source have been designed．

DC current source；linear；pulse width modulate

TN43

A

1009－8984（2016）02－0029－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．007

2016－06－12

2015年國家級、省級大學生創新創業訓練計劃項目（201511437019）

馬薇（1982－），女（漢），長春，實驗師主要研究計算機科學與技術。