基于功率运算放大器的恒流源技术研究

第六图书馆

恒流源在现代工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。文章就压控恒流源的技术和原理进行了分析,提出了使用功率运算放大器获得高稳定恒流源的技术方案,并使用Pspice进行了较为详细的模拟和理论分析。恒流源在现代工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。文章就压控恒流源的技术和原理进行了分析,提出了使用功率运算放大器获得高稳定恒流源的技术方案,并使用Pspice进行了较为详细的模拟和理论分析。恒流源 功率运算放大器 设计 输出电流通信电源技术秦玲 张良 赖青贵 王华岑中国工程物理研究院流体物理研究所919—106信箱,四川绵阳6219002007第六图书馆

第六图书馆

www.6lib.com

ｃｊＬ镌电碌硪ｊＩ：　２００７年１月２５日第２４卷第１期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｊａｎ．２５，２００７，ｖｏ１．２４　Ｎｏ．１　文章编号：１００９　３６６４（２０¨Ｄ７）０１—００４３一Ｏ４　基于功率运算放大器的恒流源技术研究　秦玲，张良，赖青贵，王华岑　（中国工程物理研究院流体物理研究所９１９—１０６信箱，四川绵阳６２１９００）　摘要：恒流源在现代工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。文章就压　控恒流源的技术和原理进行了分析，提出了使用功率运算放大器获得高稳定恒流源的技术方案，并使用Ｐｓｐｉｃｅ进行了较　为详细的模拟和理论分析。　关键词：恒流源；功率运算放大器；Ｐｓｐｉｃｅ　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ　ＱＩＮ　Ｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉａｎｇ，ＬＡＩ　Ｑｉｎｇ－ｇｕｉ，ＷＡＮＧ　Ｈｕａ—ｃｅｎ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｐ．０．Ｂｏｘ　９１９—１０６，Ｍｉａｎｙａｎｇ，６２１９００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐａｉｄ　ｃｌｏｓｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｂｕｌｋ，ｈｉｇｈｅｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｍｏｒｅ　ｓｔｅａｄｙ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｉｎ　ｕｓｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｌａｎ　Ｏｆ　ｈｉｇｈｌｙ　ｓｔｅａｄｙ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖｉａ　Ｐｓｐｉｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ￣ｐｏｗｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ￣Ｐｓｐｉｃｅ　Ｏ概述　极端情况下工作点会进入饱和区，从而使电路失去稳　定的功能。　随着电子技术的发展，恒流源已经广泛地应用在　各个领域。目前市面上较成熟的恒流源输出要么在　ｍＡ量级要么在百安培量级，不能满足所有输出段位　的需求ｌ－１］。许多输出电流不是很大、要求稳定度和输　出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。本文　使用线性度和稳定度较高的功率运算放大器设计了一　种输出电流在安培量级的恒流源，并且希望通过并联　方式使其具有一定的电流输出扩展能力。　第六图书馆

—　Ｅ　ｔ＇－　Ｕｃｒ　ＵＣＥ　www.6lib.com

图１　兰极管输出特性曲线　１传统恒流源的技术分析　传统的恒流源一般使用三极管构成“串联型稳压电　路”，即电路中的三极管与负载是串联关系，通过比较采　样电流和标准电流信号的差异来控制三极管的导通程　度，从而在负载上获得恒定的电流输出。这种方式结构　简单纹波较小，但是也有其难以克服的不足之处：　（１）电路的工作范围受到限制。由“串联型稳压电　路”的原理口］可知，为了使电路的输出稳定，其静态工　作点必须处于调整管的线性放大区。但在电路输出的　调节范围很大的情况下，静态工作点会发生改变。如　图１所示：当输出电流，ｃ减小时，负载上的电压减小，　造成调整管的　增大，静态工作点向截止区移动，在　极端情况下工作点会进入截止区使电路失去稳定的功　能。反之，当输出电流，ｃ增大时，负载上的电压增大，　造成调整管的ＵＣＥ减小，静态工作点向饱和区移动，在　收稿日期：２００６—０８—２０　、　（２）输出效率低，大部分电流浪费在调节管上。输　入的电压需要经过三极管的调节再加到负载上，即三　极管需要分担负载上不需要的电压。整个电路的转化　效率由于电路原理而变得比较低。当输出电流需求较　大时，三极管的分压还比较少；而当输出电流需求较小　时，三极管上就承担了较多的电压。这对三极管的寿　命造成了较大的影响，需要频繁地更换。同时，这也是　对电力资源的浪费。　针对以上两点不足，我们考虑到用放大器代替三　极管设计一种高效节能的恒流源。因为理想的运算放　大器输入电阻是无穷大，而输出电阻为零，因此相对于　用于传统恒流源的三极管它的线性度非常好。而电流　通过放大器后加载在负载上是一个放大过程而非分压　过程，那么需要多大的电流就输入多大的电流，转换效　率非常高。另外，放大器受温度的影响比三极管要小　大约两个量级，因此，基于功率运算放大器的恒流源的　温度漂移会明显降低。目前，高功率运算放大器的产　品化使得运放应用于产生大电流恒流源成为可能。　http://www.6lib.com 第六图书馆

匝携电ｊｌ靠技丰：　２００７年１月２５日第２４卷第１期　Ｔｅｔｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｊａｎ．２５，２００７，Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．ｉ　２基于功率放大器的恒流源设计　Ｉ　６Ａ　ｌ　ｌ　ｌ　２．１基本设计思路　４Ａ　｝　Ｊ　由于电压信号易于获得，因此设计采用电压控制　Ｊ　电流源（ＶＣＣＳ），基本电路如图２。输入信号通过环路　２Ａ　加到Ｒ。上使得输出电流Ｌ只与输入信号和Ｒ。相关，　Ｏ　『　『　　－而与负载的变化无关，因此形成恒流。将负载放置在　Ｏ　ｌ　２　３　４　５　∥ｕｓ　反馈回路中能够提高系统的稳定性，Ｒ　是取样电阻，　图４瞬态响应　它的电压正比于负载电流。Ｃｒ、　、Ｒ　用来提高电路　４Ａ　的稳定性，在有外部纹波信号耦合进入系统时还承担　了低通滤波的作用。　Ｉ　≤２Ａ　■，　１　一　—，ｒ　／　ｆ　Ｏ　０　１　２　Ｕ／Ｖ　图５静态工作点变化　图６模拟了１　Ｖ直流电源叠加１　ｖ／ｓｏ　ＭＨｚ高频　信号（超出实际情况）对输出的影响曲线　可见对于输　出电流的影响较小，这是因为前面提到的电容电阻反　图２悬浮负载电压控制电流源电路　馈回路担当了低通滤波器将高频信号过滤掉了，所以　２．２电路可行性分析（Ｐｓｐｉｃｅ模拟）　对负载上的电流没有影响。　调研选择ＰＡｌ３型放大器作为主要器件，第六图书馆

根据使　２·５　用手册得到实际的电路图如图３。　Ｒｌｓ　２　www.6lib.com

Ｏ　Ｏ．３　Ｏ．６　∥　（ａ］高频输入信号　／ｉ：　㈠　ｆ：　圈３电路原理图　２．２．１瞬态响应　图４为输入２　Ｖ直流信号时，该电路的瞬态响应　０　５　１０　ｔ｜　曲线　（ｂ）恒流源响应信号　图５为直流工作点静态曲线。　圈６高频干扰　２．２．２纹波　在实际应用中由于外部信号的干扰很难保证理想　电容电阻回路的截止频率是ｆ　１　丽１　＝　的输入信号，它总是会串进一些高频信号（其它器件产　３４２．１４４　Ｈｚ。频率小于３４２　Ｈｚ（例如叠加５０　Ｈｚ的工　生或外部耦合）或工频信号（电网产生）。无论哪种形　频信号）的信号都能通过并无相移，即不能过滤掉。如　式的纹波都会对电路产生影响。下面模拟高频及工频　图７，模拟了１　Ｖ直流信号叠加１　ｖ／ｓｏ　Ｈｚ工频信号　干扰对电路的影响。　的输出电流曲线。可见输出电流受到了较大的影响，　http://www.6lib.com 第六图书馆

４　∞　４卷第　期孝　：誓三　！兰兰　兰　兰　苎　！兰　Ｔｅ　ｌ　ｅ　ｃｏｍ　Ｐｏ　　ｗｅｒ　Ｔ２ｅ　ｃ：ｈｎ　！ｏｌｏ　ｇ竺ｉｅ：ｓ　因此电路还需要考虑使用高稳定电源等方法来消除工　频干扰。　５　：电　耐　。　４　３　电流随温度升高而降低，变化在亚毫安量级。电流输　出具有０．３　ｐｐｍ／￣Ｃ的温度稳定性。由此可见，放大器　的温度系数非常低，对电路几乎没有影响，那么系统的　温度漂移主要来自采样电阻，因此需要选择高精度的　采样电阻来确保电路的稳定性。目前，已经有温度系　数为３０　ｐｐｍ／＇Ｃ的商用采样电阻销售。　２　１　：电　ＥＥ　　｜Ｉ　３．９９６０　２０　ｆ／ｍｓ　０　４０　６０　《　３．９９５６　圈７工频信号对输出电流的影响　２．２．３温度漂移　电路中放大器和均压电阻承担大电流，温度影响　对电路的影响较大。设采样电阻没有温度漂移，模拟　温度在２５、５０、７５℃变化时放大器输出电流受温度的　影响，如图８所示。　田９放大器直流工作点　２．３电路并联扩展　圈８放大船受温度的影响曲线　它的直流工作点分析见图９，可见放大器输出的　第六图书馆

电路计划制作为印制板即一个恒流源成为一个电　源模块，那么在单个恒流源模块的输出电流难以提高　的情况下，将各模块并联起来提高输出能力就成为高　效可行的方法。但是在电源模块并联运行时，由于各　个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一　样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系　统的稳定性降低，因此，并联电源模块需要考虑并联均　流的问题ｌ＿３　］。对比各种均流方法：改变单元输出内　阻法；主／从控制法；外部控制电路法；平均电流型自动　www.6lib.com

豳１０主从并联均流　http://www.6lib.com 第六图书馆

溘镌电碌技术　２００７年１月２５日第２４卷第１期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｊａｎ．２５，２００７，Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．１　负载均流法；最大电流自动均流法（自动主／从法、民主　均流法）；强迫均流法。依照单个模块的电路构造选择　主从均流模式如图１０，通过Ｐｓｐｉｃｅ模拟能够获得两倍　的电流输出。　图１１是单个电源模块输出与并联电路输出电　流的对比曲线，可见自主并联方式在理论上可以达　到比较好的效果，是提高输出电流的一个切实可行　的方法。　８　６　３展望　基于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积　小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在　安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。但还需　要通过实验作进一步深入的研究，这对于恒流源的发　展具有相当现实的意义。　参考文献：　［１］黄小平，蓝德良，孙宏晖，等．精密多功能恒流源［Ｊ］．计量　技术，２００１．　［２］马建国，电子系统设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００３．　［３］路秋生，张艳杰．电源并联均流技术［Ｊ］．通信电源技术，　２０００，１７（２）：１２—１４．　≤４　２　０　Ｏ　２　ＵＮ　４　［４］　田浩，杨向宇。龚晟，等．电源模块并联供电的冗余结构　及均流ｒＪ］．电源技术应用，２００４，５：３５２￣３５６。　田１１　单电源输出与并联输出电流对比曲线　（上接第４２页）　芯片流片封装后，典型应用条件下测得的功耗电流仅　为３．１　ＦＡ，过充电保护电压检测精度可达±２５　ｍＶ。　参考文献：　ＦＥＩＲＥＮＣＥ，７００—７０６．　ａｓｈｅｅｔ　Ｏｆ　Ｒｉｃｏｈ。Ｌｉ－ｉｏｎ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　１－ｃｅｌｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ［Ｚ］．　［３］　ＤａｔＲｉｃｏｈ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｉｎｃ．，１９９９．　［１］Ｇｒｅｇ　Ｓｍｉｔｈ．Ｍｉｃｒｏ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｈｉｐ　ｆｏｒ　Ｒｅｃｈａｒｇｅ—　ａｂｌｅ　Ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　１９９６　ＣＵｓ１、ＯＭ　ＩＮ—　ＴＥＧＲ　ＡＴＥＤ　ｃ１ＲＣＵＩＴＳ　ＣｏＮＦＥＲＥＮＣＥ。１３１—１３４．　第六图书馆

Ｉｎｃ．，２００１．　　Ｒ　Ｇｒａｙ，Ｐａｕｌ　Ｊ　ｈｕｒｓｔ，Ｓｔｅｐｈｅｎ　Ｈ　Ｌｅｗｉｓ，Ｒｏｂｅｒｔ　Ｇ　［４］　ＰａｕｌＭｅｙｅ￣Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　［Ｍ］．Ｆｏｕｒｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，　［２］Ｓａｌｅｍｏ　Ｄ，Ｋｏｒｓｕｎｓｋｙ　ＩＬ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｆ　Ｌｉｔｈｉｕｍ－Ｉｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］．　ＩＥＥＥ　１９９８　ＣＵＳＴＯＭ　ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ　ＣＩＲＣＵＩＴＳ　Ｃ０Ｎ　www.6lib.com

．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ　ＣＭＯＳ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒ—　［５］　Ｂｅｈｚａｄ　Ｒａｚａｖｉｃｕｉｔｓ［Ｍ］．西安：西安交通大学出版，２００３．　３Ｇ应用ｉ全球消费者的热情并不高　尽管手机生产商使出浑身解数来招揽３Ｇ客户，众多手机用户对于第三代技术的热情仍然不高，全球领先的市场研究机构ＴＮＳ　在日前公布的《全球科技洞察２００６））中分析，导致这种结果的原因究其根底，最关键的阻力缘自不菲的价格和不合理的收费方式。　在接受ＴＮＳ访问的全球２９个国家１６０００个用户中，大约四分之一的人（２３　）认为高昂的价格是他们不使用３Ｇ服务的首要原　因。约五分之一的人表示（２１　）不使用手机下载铃声或歌曲是因为价格的因素，２３　的人指出不通过手机上网也是因为价格太贵。　ＴＮ　全球科技洞察２００６￣在全球范围内对手机的内容服务和应用上进行了研究，包括沟通类服务、移动音乐、移动电视和移动　商务等各大方面。　报告显示，内地和香港的用户更倾向于尝试手机的各项功能，大洋洲、南欧、西欧的用户也会使用许多功能，但在拉丁美洲、北　非、新兴的亚洲地区和美国，用户对于手机的诸多功能并不是特别感兴趣，大多数用户只通过手机来拨打电话和发送短消息。　基本上所有手机厂商的产品都支持文字短信和手机游戏，超过五分之三的手机支持拍照功能，超过五分之三的手机拥有上网　和邮件传递功能，但许多被厂家认为是新一代技术的应用功能消费者并不抱有很高热情。比如，无线上网、手机电视、电子邮件和　其他３Ｇ应用。在消费者考虑购买新手机时，产品是否具有照相功能以及照相功能的优劣是一个重要的因素，３５　的被访者都认为　购买手机时会首先考虑这个功能；短信功能受约占３０　的重视。其他消费者认为重要的功能还包括ＭＰ３／数码音乐播放器　（１９　），蓝牙（１５　）和摄像（１４　）。与连接性能相关的如ＷｉＦｉ和３Ｇ等功能仍旧对消费者的购买决策影响甚微，只占不到３　。　ＭＭＳ（彩信）、移动电视和手机游戏对少部分客户有一定吸引力，占７　左右，但非主流需求。　（摘自：中国经营报）　·４６·　http://www.6lib.com 第六图书馆