恒流電源電路設(shè)計(jì)的六個(gè)提示
恒流電源電路LED電源的工程師經(jīng)常提及“恒流”驅(qū)動(dòng)，其實(shí)，在很多電子設(shè)備中，有許多用電設(shè)備要求供給的電流(而不是電壓)保持恒定。一般把這種能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源稱為恒流源。所謂恒流，是一種習(xí)慣說(shuō)法，并不是電流值絕對(duì)不變，只是這種變化相對(duì)的小而已，在一個(gè)規(guī)定的工作范圍內(nèi)保持足夠的穩(wěn)定性。
基本的恒流源電路主要是由輸入級(jí)和輸出級(jí)構(gòu)成，輸入級(jí)提供參考電流，輸出級(jí)輸出需要的恒定電流。
恒流源電路就是要能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的電流以保證其它電路穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。即要求恒流源電路輸出恒定電流，因此作為輸出級(jí)的器件應(yīng)該是具有飽和輸出電流的伏安特性。這可以采用工作于輸出電流飽和狀態(tài)的BJT或者M(jìn)OSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了保證輸出晶體管的電流穩(wěn)定，就必須要滿足兩個(gè)條件：
a）其輸入電壓要穩(wěn)定——輸入級(jí)需要是恒壓源；
b）輸出晶體管的輸出電阻盡量大（最好是無(wú)窮大）——輸出級(jí)需要是恒流源。
基本的恒流源電路，這里依據(jù)主要組成器件的不同，可分為三類：晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源等。
一、 晶體管恒流源
這類恒流源以晶體三極管為主要組成器件，利用晶體三極管集電極電壓變化對(duì)電流影響小，并在電路中采用電流負(fù)反饋來(lái)提高輸出電流之恒定性，通常，還采用一定的溫度補(bǔ)償和穩(wěn)壓措施。其基本型電路如圖1的A，B兩種類型。
如圖1中的A圖， R1、R2分壓穩(wěn)定b點(diǎn)電位為Vb，Re形成電流負(fù)反饋 ,輸出電流IO=(Vb-Vbe)/Re≈Vb / Re (Vb >>Vbe)。B圖的計(jì)算參考A圖。
提示1：
圖1中的電路的不足就是晶體管的集射極間電阻一般為幾十千歐以上，當(dāng)只需幾伏的工作電壓，采用這種恒流源電路 ,其等效內(nèi)阻是非常大，功耗大，且精度不高。
實(shí)際電路中，最常用的簡(jiǎn)易恒流源如圖2所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對(duì)穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，電流數(shù)值為：I=Vbe/R1。
提示2：
圖2的這種恒流源優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒(méi)有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點(diǎn)是不同型號(hào)的管子，其be 電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號(hào)，也有一定的個(gè)體差異。同時(shí)不同的工作電流下，這個(gè)電壓也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此不適合精密的恒流需求。
二、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源
由場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為主要組成器件的恒流電路如圖3所示。
圖3A ,R1,R2分壓穩(wěn)定b點(diǎn)電位 , Vb =R2*VCC\(R1+R2)，而 Vgs=Vb-Id*RSId=Idss( 1- Vgs*Vp)*2，式中Vp表示為夾斷電壓 ，Idss為飽和漏極電流。也可以去掉電源輔助回路 ,變成一純兩端網(wǎng)絡(luò) ,電路如圖3 B所示 ,由圖可得Vgs =- Id*RS
提示3：
這種恒流源電路的場(chǎng)效應(yīng)管為JEFT，超低噪聲，輸出電流有JEFT決定，檢測(cè)電壓與JEFT有關(guān)。
三、集成運(yùn)放恒流源
為了能夠精確輸出電流，通常使用一個(gè)運(yùn)放作為反饋，同時(shí)使用場(chǎng)效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。典型的運(yùn)放恒流源如圖4所示，如果電流不需要特別精確，其中的場(chǎng)效應(yīng)管也可以用三極管代替如圖4B。如圖4B中，工作時(shí)，輸入電壓Vref與輸出電流成比例的檢測(cè)電壓，Vs(Vs=Rs*Iout)相等，Is=Ib+Iout=Iout(1+1/Hfe)其中1/Hfe為誤差。
提示4：
這個(gè)電路可以認(rèn)為是恒流源的標(biāo)準(zhǔn)電路，除了足夠的精度和可調(diào)性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調(diào)試。只不過(guò)其中的Vin還需要用戶額外提供。
從以上兩個(gè)電路可以看出，恒流源有個(gè)定式，就是利用一個(gè)電壓基準(zhǔn)，在電阻上形成固定電流。有了這個(gè)定式，恒流源的搭建就可以擴(kuò)展到所有可以提供這個(gè)"電壓基準(zhǔn)"的器件上，最典型的就是利用TL431組成的恒流源電路。
TL431是另外一個(gè)常用的電壓基準(zhǔn)，利用TL431搭建的恒流源如圖5所示，其中的三極管替換為場(chǎng)效應(yīng)管可以得到更好的精度。
電流計(jì)算公式為：Iout=Vref/Rs，檢測(cè)電壓根據(jù)Vref不同，即1.25V或者是2.5V不同而已。
提示5：
這種恒流源電路，使用并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431，簡(jiǎn)單實(shí)用且精度高。有經(jīng)驗(yàn)的模擬電路工程師經(jīng)常會(huì)用三端穩(wěn)壓IC做恒流源，使用這些三端穩(wěn)壓電源IC，本身精度已經(jīng)很高，需要的維持電流也很小。利用三端穩(wěn)壓構(gòu)成恒流源，也有非常好的性價(jià)比，如圖5所示的LM317的兩種類型。
電流計(jì)算公式為：I=V/R1，其中V是三端穩(wěn)壓的穩(wěn)壓數(shù)值。
提示6：
這種結(jié)構(gòu)的恒流源，不適合太小的電流，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候，三端穩(wěn)壓自身的維持電流會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。
總結(jié)
恒流源的實(shí)質(zhì)是利用器件對(duì)電流進(jìn)行反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定。只要能夠得到電流，就可以有效形成反饋，從而建立恒流源。
能夠進(jìn)行電流反饋的器件，還有電流互感器，或者利用霍爾元件對(duì)電流回路上某些器件的磁場(chǎng)進(jìn)行反饋，也可以利用回路上的發(fā)光器件(例如光電耦合器，發(fā)光 管等)進(jìn)行反饋。這些方式都能夠構(gòu)成有效的恒流源，而且更適合大電流等特殊場(chǎng)合，不過(guò)因?yàn)檫@些實(shí)現(xiàn)形式的電路都比較復(fù)雜，這里就不一一介紹了。
