一种双环互补型高稳定度恒流源电路

本发明属于电子设备的。特别涉及一种双环互补型高稳定度恒流源电路。

背景技术：

1、集成电路和半导体器件工艺的日趋成熟使各类电子产品的设计与应用更为广泛，人们对电子电力技术在各领域的应用进行深入挖掘，同时对产品性能的要求也在提升。恒流源可以为电子设备提供恒定的电流输出，特别是高精度高稳定度的恒流驱动器在电子设备中发挥着举足轻重的作用。在led照明、电池充电器、激光驱动等对电流要求十分稳定的领域，恒流源的稳定性、可靠性及精密性至关重要，恒流反馈回路出现任何问题或者恒流源电流发生微小变化，都会影响这些器件的正常使用，甚至会造成安全问题。

2、提高电流稳定度的常规措施包括：1.利用负反馈网络实现电流的自动稳定；2.利用pwm修正开关管的输出电流；3.在功率管上直接叠加一重反馈，利用双环反馈提高功率管的开启精度。以上几种措施虽然对开关管的稳定度做出了一些贡献，但仍然存在问题。第一种措施借助负反馈网络本身的电压自动调整功能，输出电流通过控制电压的控制，可以实现自动稳定并且不会受到负载阻值变化的影响，是目前恒流源设计中最常用的技术手段，但是大多数使用负反馈网络实现电流自动稳定的方案一般都是采用单一反馈结构，这种单一反馈网络结构会造成输出电流过度依赖于反馈系统，一旦反馈系统出现任何问题，会使得输出电流失调从而对负载和整体电路造成损坏；其次这种结构的应用场合有限，只能应用在输出电流和负载是线性响应的场合，而在很多非线性响应的应用中，采用单一结构负反馈网络的控制效果会颇有欠缺。第二种措施一般采用精密pwm控制芯片，实现对pwm占空比的调整进而修正功率开关管的开启闭合频率，这种方案对pwm控制芯片的依赖性太高且成本较高，pwm技术会使电路产生谐波，引入电磁干扰及其他问题；并且pwm对恒流源输出的控制是通过对功率管的开关频率及开关时间实现的，高频开关会导致开关损耗增加，减小功率管的使用寿命及控制精度，在开关状态的转换过程中会不可避免的存在死区时间，造成控制的不稳定。第三种措施是将两种反馈结构直接加在一个mos管上，用叠加反馈的方式去控制一个功率管的开启程度，虽然改进了单一反馈结构的稳定性，但是会加重mos管的工作负担，电路受mos管元器件本身的影响较大，一旦mos管出现故障，将失去对恒流输出的控制，稳定度的提高十分有限；其次这种双环反馈只是两种反馈方式的简单叠加，在反馈结构上进行了相互补充，但是对输出电流的稳定性并未做出任何补偿性的改变，使输出电流单路输出，稳定性仍然容易受到影响，并且输出电流范围有限，无法满足大功率应用的需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺点，提供一种双环互补型高稳定度恒流源电路，采用相互补偿的双环负反馈结构，分别控制两个mos管的开启程度，提高了恒流源输出的稳定性和可靠性，并且扩大了电流的输出范围，采用精密压差跟随电路，较大的输入阻抗减小了对主电路的影响，从而实现对输出电流的精确放大与反馈，使电路得到精准有效控制。

2、本发明的具体的技术方案是：

3、一种双环互补型高稳定度恒流源电路，结构有电流预设模块1、软启动模块2、过流保护模块3和电源管理模块8；其特征在于，结构还有pid反馈模块4、电流负反馈模块5、压差跟随模块6和恒流输出模块7；电流预设模块1的输出与pid反馈模块4和电流负反馈模块5的输入相连，pid反馈模块4和电流负反馈模块5的输入还与软启动模块2、过流保护模块3的输出相连，pid反馈模块4和电流负反馈模块5的两路输出分别与恒流输出模块7的两路控制输入相连，过流保护模块3、压差跟随模块6的输入与恒流输出模块7的采样电压输出相连，压差跟随模块6的输出接pid反馈模块4和电流负反馈模块5的反馈输入；

4、所述的电流预设模块1的结构为：稳压芯片u1的输入引脚2连接电源vcc及电容c2的一端，电容c2的另一端接地，稳压芯片u1的引脚3接地，输出引脚6连接运放u2.1的同相输入端，运放u2.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c4的一端相连，电容c4的另一端接地，运放u2.1的负电源端接地，反相输入端与电阻r4、电容c5和电阻r5的一端相连，电阻r4的另一端与地相连，电容c5和电阻r5的另一端接运放u2.1的输出端，运放u2.1的输出端接滑动变阻器r6的一端，滑动变阻器r6的另一端与地相连，滑动变阻器r6的滑动端作为限流调节的调节输出端；滑动变阻器r7的一端接限流调节滑动变阻器r6的滑动端，另一端接地，滑动变阻器r7的滑动端接运放u2.2的同相输入端，u2.2的同相输入端与电容c6的一端相连，电容c6的另一端与地相连，运放u2.2的反相输入端与运放u2.2的输出端直接相连，运放u2.2的输出端与电容c7的一端相连，电容c7的另一端接地，运放u2.2的输出端与电阻r8的一端相连，电阻r8的另一端作为电流预设模块1的输出端，记作端口vpreset；

5、所述的软启动模块2的结构为：单刀双掷开关sw1的一端连接电源vcc、电容c1的一端和pnp型小功率三极管q1的发射极，单刀双掷开关sw1的另一端接电阻r1的一端及q1的基极，电阻r1的另一端接地，三极管q1的集电极连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端与电阻r3的一端、电容c1的另一端和n型mos管q2的栅极相连，电阻r3的另一端接地，mos管q2的源极与地相连，mos管q2的漏极作为软启动模块2的输出端，记作端口vset；

6、所述的过流保护模块3的结构为：电阻r29的一端接恒流输出模块7的高取样电压输出端口vrs+，另一端接运放u6.2的反相输入端与电阻r31的一端，电阻r31的另一端接运放u6.2的输出端，电阻r30的一端接恒流输出模块7的低取样电压输出端口vrs-，另一端接运放u6.2的同相输入端和电阻r32的一端，电阻r32的另一端与地相连，电阻r33的一端接运放u6.2的输出端，另一端连接整流二极管d1的阴极和运放u9.1的同相输入端，二极管d1的阳极与运放u9.1的输出端连接，运放u9.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c16的一端相连，电容c16的另一端接地，运放u9.1的负电源端接地，反相输入端与滑动变阻器r35的滑动端相连，滑动变阻器r35的滑动端连接电阻r34的一端，滑动变阻器r35的一端不连任何器件，另一端接地，电阻r34的另一端连接电源vcc，运放u9.1的输出端接mos管q5的栅极，mos管q5的源极接地，漏极作为过流保护模块3的输出端，记作端口ocp-out；

7、所述的pid反馈模块4的结构为：电阻r10的一端接电流预设模块1、软启动模块2和过流保护模块3的输出端vpreset、vset和ocp-out，另一端接运放u3.1的同相输入端，电阻r31的一端接压差跟随模块6的输出端vback-out，另一端与运放u3.1的反相输入端相连，运放u3.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c8的一端相连，电容c8的另一端接地，运放u3.1的负电源端接地；pid比例部分的滑动变阻器r20的一端与运放u3.1的输出端相连，滑动变阻器r20的另一端接电源1/2vcc，滑动端与运放u3.2的同相输入端相连，运放u3.2的反相输入端与运放u3.2的输出端直接相连，电阻r21的一端接运放u3.2的输出端，另一端与运放u7.2的反相输入端相连，运放u7.2的反相输入端与电阻r22的一端相连，运放u7.2的输出端连接电阻r22的另一端，运放u7.2的同相输入端接电源1/2vcc，电阻r24与运放u7.2的输出端相连，另一端接入运放u8.1的反相输入端；pid积分部分的电阻r23的一端与运放u3.1的输出端相连，另一端与电容c13的一端和运放u7.1的反相输入端相连，电容c13的另一端与r25的一端相连并连接运放u7.1的输出端，运放u7.1的同相输入端接电源1/2vcc，运放u7.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c12的一端相连，电容c12的另一端接地，运放u7.1的负电源端接地，电阻r25的另一端连接运放u8.1的反相输入端；pid微分部分的电阻r26的一端与运放u3.1的输出端相连，另一端与电容c15的一端相连，电容c15的另一端与电阻r28的一端相连并连接运放u8.2的反相输入端，运放u8.2的同相输入端接电源1/2vcc，电阻r28的另一端与电阻r27的一端和运放u8.2的输出端相连，电阻r27的另一端运放u8.1的反相输入端相连；运放u8.1的同相输入端与电源1/2vcc相连，运放u8.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c14的一端相连，电容c14的另一端与地相连，运放u8.1的负电源端接地，运放u8.1的输出端作为pid反馈模块4的输出端，记作端口vctrl1；

8、所述的电流负反馈模块5的结构为：电阻r29的一端连接电流预设模块1、软启动模块2和过流保护模块3的输出端vpreset、vset和ocp-out，电阻r29的另一端与运放u4.1的同相输入端相连，运放u4.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c9的一端相连，电容c9的另一端与地相连，运放u4.1的负电源端接地，电阻r34的一端与压差跟随模块6的输出端vback-out相连，电阻r34的另一端与运放u4.1的反相输入端和电容c16的一端相连，电容c16的另一端与运放u4.1的输出端和电容c17的一端相连，电容c17的另一端接地，运放u4.1的输出端连接电阻r30的一端，电阻r30的另一端作为电流负反馈模块5的输出端，记作端口vctrl2；

9、所述的压差跟随模块6的结构为：运放u5.1的同相输入端与恒流输出模块7的高取样电压输出端口vrs+相连，运放u5.1的正电源端接电源vcc，电源vcc与电容c10的一端相连，电容c10的另一端与地相连，运放u5.1的负电源端接地，运放u5.1的反相输入端与滑动变阻器r13的一端和电阻r15的一端相连，输出端与电阻r15的另一端和电阻r16的一端相连，电阻r16的另一端与运放u4.2的反相输入端相连，运放u4.2的反相输入端接电阻r19的一端，电阻r19的另一端与运放u4.2的输出端相连，运放u4.2的同相输入端与电阻r17和电阻r18的一端相连，电阻r18的另一端接地，电阻r17的另一端与电阻r14的一端和运放u5.2的输出端相连，运放u5.2的反相输入端与电阻r14的另一端及滑动变阻器r13的滑动端相连，同相输入端与恒流输出模块7的低取样电压输出端口vrs-相连，运放u4.2的输出端作为压差跟随模块6的输出端，记作端口vback-out；

10、所述的恒流输出模块7的结构为：mos管q3的栅极与pid反馈模块4的输出端口vctrl1相连，漏极接电源vcc，源极与精密取样电阻rs的一端相连，mos管q4的栅极与pid反馈模块4的输出端口vctrl2相连，漏极接电源vcc，源极与精密取样电阻rs的一端相连，并且取样电阻rs的一端作为恒流输出模块7的高取样电压输出端口vrs+，取样电阻rs的另一端作为恒流输出模块7的低取样电压输出端口vrs-，并且引出恒流输出模块7的一端输出端口用以连接电路的负载，记作端口pwr-out1，恒流输出模块7的另一端输出端口连接电路负载另一端，记作端口pwr-out2，端口pwr-out2与电路地相连。

11、本发明的一种双环互补型高稳定度恒流源电路中，所述的电源vcc、电源vcc/2分别优选12v、6v，具体电路模块中所用到的各元件优选参数为：芯片u1是集成基准电压芯片max6225acpa+，三极管q1为s9012；mos管q2和q5为irfz24n，q3和q4为irf540npbf；运放u2.1和运放u2.2是第一个型号为lm358的集成双运放的两个工作单元，运放u3.1和运放u3.2是第一个型号为lmc6482的集成双运放的两个工作单元，运放u4.1和运放u4.2是第二个型号为lm358的集成双运放的两个工作单元，运放u5.1和运放u5.2是第三个型号为lm358的集成双运放的两个工作单元，运放u6.2是第四个型号为lm358的集成双运放的一个工作单元，运放u7.1和运放u7.2是第二个型号为lmc6482的集成双运放的两个工作单元，运放u8.1和运放u8.2是第三个型号为lmc6482的集成双运放的两个工作单元，运放u9.1是第五个型号为lm358的集成双运放的一个工作单元；二极管d1的型号为1n4007；滑动变阻器r6、r7、r13和r20均为10kω，滑动变阻器r35为20kω；取样电阻rs为0.1ω。

12、有益效果：

13、1、本发明采用双mos管对恒流源的输出进行相互补偿，两路输出电流对彼此进行补偿修正，有效提高了整体电路的对恒流输出的控制作用，提高输出电流的准确性和稳定度。

14、2、本发明相互补偿的双mos管采用并联方式连接，相互补偿进行恒流源的输出扩大了电流的输出范围。

15、3、本发明采用的双mos管各自有反馈电路对其进行反馈控制，工作时相互独立，当其中一个出现问题时，另一个可以继续正常工作。

16、4、本发明采用的三运放组成的压差跟随模块，能够对取样电流进行更精密的取样放大，并且输入阻抗大，反馈回路对主电路的影响更小。

17、5、本发明设计的过流保护模块去掉了传统继电器，直接改为利用mos管的开闭控制设置电压的传输，采用二极管进行高位电压的钳制，可以在输出电流大于保护电流时直接切断电流预设模块输出的控制电压，直到重新上电再恢复，保护了主反馈电路的安全性。

18、6、本发明设计的恒流输出模块将负载接地，避免负载浮地式会出现的漏电现象，提高了电路的可靠性和稳定性，提高了电路的抗干扰能力。