一种具有输出隔离特性的高精度可控恒流源的制作方法

本发明涉及电子技术领域，特别是指一种具有输出隔离特性的高精度可控恒流源。

背景技术：

恒流源在工业自动化领域的应用非常广阔，可以作为LED驱动，继电器、熔断器检测，蓄电池充电，数字化仪表的标准信号源。以航天测发控系统电爆管通路地面测试为例，测发控系统利用恒流源作为信号基准源，向火工品通路施加电流并采集回路电压，对电压信号进行滤波和调理之后可以得到测试电压值，进而可以判断电爆管通路是否正常。由此可见，恒流源的品质和性能对于电爆管通路测试具有非常重要的意义。

目前，恒流源的设计方案可以概括为两大类：

第一类是基于传统分立晶体管的恒流源电路，这种恒流源的优势在于：电路结构简单易行；劣势在于：(1)分立晶体管个体差异较大，在不同的工作电流和温度下，基极和发射极之间的电压存在一定的波动，不利于恒流源进行精密电流控制；(2)传统恒流源接通时刻产生的瞬间高压会直接作用到接入设备上，对接入设备的安全性带来不利影响；

第二类是基于商业化高精度恒流源芯片的电路设计方案，这种恒流源的优势在于：具有稳定性好、电源精度高等特点；劣势在于：生产成本高昂，集成度低，很难满足嵌入式系统模块化设计需求。

而且，上述两类恒流源在设计一般不具有故障容错能力，很难应用在可靠性要求高的工业自动化生产环境中。

因此，为了解决恒流源精度低、成本高、可靠性和安全性差的问题，有必要发明一种具有精度高、温漂小且具有输出电压抑制能力的高可靠性恒流源。

中国专利，申请号：201210199612.9、申请日：2012.06.15、公开号：CN102736799A、公开日：2012.10.17；名称为“恒流源驱动的红外触摸屏及恒流源驱动电路”；其提出了一种恒流源驱动电路，利用比较器和电流调整管作为恒流锁定电路，采用比较器给定电压实现对恒流源的控制。

中国专利，申请号：201310738639.5、申请日：2013.12.25、公开号：CN104750158A、公开日：2015.07.01；名称为“一种带开路保护的高精度恒流源”；其提出了一种具有开路保护电路的高精度恒流源，当负载撤离时，可以无缝接入假负载，提高了恒流源的稳定性和安全性。但是，上述两个专利公开的设计方案没有对基准电压源进行充分隔离，无法避免恒流源扰动对基准电压源的影响。

中国专利，申请号：201310001718.8、申请日：2013.01.05、公开号：CN103123510A、公开日：2013.05.29；名称为“可调恒流源电路”；其提出了一种可调恒流源电路，通过控制连接在运算放大器输出端和晶体管栅极之间开关的通断调节恒流源的输出，具有结构简单、成本低的特点，但是其恒流设定值无法实现连续变化。

中国专利，申请号：201010289599.7、申请日：2010.09.21、公开号：CN102023669B、公开日：2011.04.20；名称为“一种高效可控恒流源电路”；其提出了一种数字式可控多路恒流源，利用对装三极管温度特性一致性好的特点，实现恒流源的温度补偿，使恒流源具有较高的稳定性，但是没有考虑恒流源开路和接通瞬间电压抑制问题，不利于保护接入负载的安全性。

综上可知，上述文献提供的恒流源实现方案无法兼顾电源安全性、可控性和可靠性要求，难以满足高可靠工业检测场合的应用需求。

技术实现要素：

现有的恒流存在着源精度低、温漂大、安全性差、集成芯片类恒流源成本高、不利于嵌入式集成的问题。基于上述缺陷，本发明实施例的目的是提出一种具有输出隔离特性的高精度可控恒流源，其结构简便、电源品质稳定、成本低、工作可靠且具有瞬态电压抑制能力的可控恒流源，满足工业测控自动化应用的需求。

为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种具有输出隔离特性的高精度可控恒流源，包括：用于进行恒流源基准电压采集和设定的恒流源电压设定电路1、用于进行开关控制和通路隔离的隔离电路2、用于进行电流设定的恒流源电流设定电路3、恒流源电流锁定电路4；

其中所述恒流源电压设定电路1用于为整个恒流源设定基准电压以控制恒流源的恒流输出大小；该设定电压经过隔离电路2作用于恒流源电流设定电路3产生恒定电流，恒定电流流经恒流源电流锁定电路4，最终流经负载实现恒流输出。

其中，所述恒流源电压设定电路1包括运算放大器U₁₀₁、保护电阻R₁₀₁，其中所述运算放大器U₁₀₁的正相输入端连接基准电压源输出V_ref，负相输入端连接隔离电路的运算放大器U₂₀₁的正相输入端，且运算放大器U₁₀₁的输出端通过保护电阻R₁₀₁连接隔离电路2的场效应管D₂₀₁；

所述隔离电路2包括运算放大器U₂₀₁、场效应管D₂₀₁、电阻R₂₀₁、电阻R₂₀₂；场效应管D₂₀₁与电阻R₂₀₁和R₂₀₂组成开关电路，运算放大器U₂₀₁组成电压跟随器形式，其分别连接恒流源电压设定电路1和恒流源电流设定电路3以实现恒流源电压设定电路1和恒流源电流设定电路3之间的隔离；

所述恒流源电流设定电路3包括采样电阻R₃₀₁；其中采样电阻R₃₀₁通过电阻R₂₀₂连接场效应管D₂₀₁，并连接运算放大器U₁₀₁的负相输入端以将电流输出采样为电压信号反馈到运算放大器U₁₀₁形成电压负反馈；

所述恒流源电流锁定电路4包括三极管T₄₀₁、三极管T₄₀₂、电容C₁；其中三极管T₄₀₁的发射极连接三极管T₄₀₂的基极相连以组成达林顿管的形式，三极管T₄₀₁的基极连接场效应管D₂₀₁的输出端，集电极连接负载R_L的一端，且发射极连接恒流源电流设定电路3的采样电阻R₃₀₁；其中电容C₁连接所述三极管T₄₀₁的发射极和采样电阻R₃₀₁以提供用于消除电路产生的过冲的交流通路。

其中，还包括用于对负载R_L和所述恒流源电流锁定电路4进行保护的恒流源过压保护电路5、防倒灌电路6、过压状态指示接口电路7；

所述所述过压保护电路5包括稳压管V₅₀₁、电阻R₅₀₁、R₅₀₂；其中所述稳压管V₅₀₁串联电阻R₅₀₁、R₅₀₂，并与负载R_L并联后连接恒流源电流锁定电路4的三极管T₄₀₁的集电极，以在发生恒流源输出过压时恒流通过稳压管V₅₀₁、电阻R₅₀₁、R₅₀₂回流到恒流源负端；

所述防倒灌电路6包括二极管V₆₀₁和包括V₆₀₂；所述二极管V₆₀₁和包括V₆₀₂串联在负载R_L的两端以限制恒流源的电流I₀的方向；

所述过压状态指示接口电路7包括光耦O₇₀₁、电阻R₇₀₁、电阻R₇₀₂、电阻R₇₀₃、施密特触发器U₇₀₁；其中光耦O₇₀₁通过电阻R₇₀₂和电阻R₇₀₃连接负载R_L的两端以采样输出端电压，并通过施密特触发器U₇₀₁输出矩形脉冲。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例提出的恒流源装置继承了传统分立器件恒流源结构简单的特点，同时具有精度高、温漂小的特点，在工业自动化测量应用过程中表现出了较高的可靠性和稳定性，保证了受测对象和测试过程的安全性。同时其具有以下优势：

(1)利用高精度运算放大器温度漂移小的特点，保证了恒流源具有很高的恒流输出稳定性，同时具有分立器件结构简单的优势，便于恒流源的实现。

(2)采用无电流取用特点的场效应管和高输入阻抗的电压跟随器，实现了恒流源负载端和基准电压源之间的隔离，避免了恒流源负载对基准电压源的影响，有利于保证恒流源基准电压的稳定。

(3)恒流源中使用的两个三极管之间无配对要求，有利于降低了器件筛选的难度和生产成本。

(4)恒流源输出端具有防倒灌能力，可以防止负载接入或撤出时引起的反向电流输入，有利于保护恒流源内部器件的安全，提高了电源的可靠性。

(5)恒流源输出具有过压保护，以免负载受到过压冲击，提高了负载的安全性，同时恒流源具有过压指示功能，方便了恒流源数字化控制。

附图说明

图1为本发明实施例的电路逻辑框图；

图2为本发明实施例的电路连接图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实例进行详细描述。

如图1、图2所示的，本发明实施例提出的具有输出隔离特性的高精度可控恒流源，从功能上可以划分为恒流源电压设定电路1、隔离电路2、恒流源电流设定电路3、恒流源电流锁定电路4、过压保护电路5、防倒灌电路6、过压状态指示接口电路7；其结构划分详见图1。其中，恒流源电压设定电路1、隔离电路2、恒流源电流设定电路3、恒流源电流锁定电路4一起实现了一种高精度可控恒流源电路，能够通过调节基准电压设定端的给定电压，连续设定恒流源输出电流值，并利用隔离电路解决了恒流源电流锁定电路负载扰动干扰基准电源的问题。进一步的，本发明实施例还设计了过压保护电路5、防倒灌电路6，使恒流源电路具备接通瞬态高压抑制和抗倒灌能力。再进一步的，过压状态指示接口电路7能够实时的提示是否出现过压，以提高系统的稳定性。

利用本发明实施例的具有输出隔离特性的高精度可控恒流源，可以通过外部对恒流源电压设定电路1为整个恒流源设定基准电压，以控制恒流源的恒流输出大小；该设定电压经过隔离电路2作用于恒流源电流设定电路3产生恒定电流，恒定电流流经恒流源电流锁定电路4，最终流经负载实现恒流输出。

进一步的，通过过压保护电路5、防倒灌电路6可以对负载和恒流源锁定电路进行保护；当发生过压输出时，过压状态指示接口电路7可以给出“过压”指示信号，使得外部的恒流源控制电路可以利用该信号作为是否关断恒流源的判断标准，确保被测设备和恒流源的安全。

下面就高精度可控恒流源的技术方案进行详细阐述。

恒流源电压设定电路1包括运算放大器U₁₀₁和电阻R₁₀₁，主要实现恒流源基准电压的采集、设定，以及隔离电路2中场效应管D₂₀₁的导通和截止控制。其中，运算放大器U₁₀₁选用高输入阻抗、低温漂的高精度运算放大器，正相输入端连接基准电压源输出V_ref，负相输入端连接隔离电路中运算放大器U₂₀₁的正相输入端。运算放大器U₁₀₁与外围电路共同组成一个电压负反馈回路，使运算放大器U₁₀₁满足“虚短”条件，从而可知V_R0＝V_ref。电阻R₁₀₁为保护电阻，能够提高隔离电路的输入耐压能力，对场效应管D₂₀₁起到输入保护作用。

隔离电路2由运算放大器U₂₀₁、场效应管D₂₀₁、电阻R₂₀₁和R₂₀₂组成，主要为恒流源电流提供开关控制和通路隔离功能。场效应管D₂₀₁属于电压控制类分立器件，使用多子导电，具有温漂小，导通工作阻抗仅为毫欧姆级别，控制栅极电流取用几乎为零等特点。本发明中场效应管D₂₀₁与电阻R₂₀₁和R₂₀₂组成开关电路，其中场效应管D₂₀₁工作于导通或者截止状态。当场效应管D₂₀₁处于导通状态时，场效应管D₂₀₁的导通内阻变得很小，相当于一个闭合的开关。通过合理选择电阻R₂₀₁和电阻R₂₀₂的阻值，可以确保场效应管导通时，恒流源电流锁定电路满足饱和导通的条件。运算放大器U₂₀₁组成电压跟随器形式，连接在恒流源基准电源和恒流源设定电路之间，利用其输入阻抗高的特性，实现了恒流源输出端和外部基准电压电源之间的隔离，避免恒流源负载变化对外部基准电压源的影响。

恒流源电流设定电路3利用采样电阻R₃₀₁完成电流设定功能，电流设定值满足I＝V_R0/R₃₀₁，同时，电阻R₃₀₁还将电流输出采样为电压信号反馈到运算放大器U₁₀₁的负相输入端，形成电压负反馈。采样电阻R₃₀₁应选择阻值精度不低于5％且温漂较小的电阻。

恒流源电流锁定电路4包括三极管T₄₀₁和T₄₀₂，电容C₁。三极管T₄₀₁和T₄₀₂的放大倍数β应不小于100，保证基极电流远小于集电极电流，确保绝大部分电流从负载端流过。三极管T₄₀₁的发射极与三极管T₄₀₂的基极相连，组成达林顿管的形式，其集电极连接负载R_L的一端，发射极连接恒流源设定电路电阻R₃₀₁。由于达林顿管具有很高的放大倍数，其基极电流几乎可以忽略不计。当场效应管D₂₀₁导通时，三极管T₄₀₁和T₄₀₂的发射结将同时导通，三极管T₄₀₁的基极电压便被钳位在V_B1＝V_ref+2V_ON，通过合理设置R₄₀₁的阻值，可以保证I_b≥I_bs≈0。电容C₁为恒流源电路提供了交流通路，用于消除电路产生的过冲。

过压保护电路5由稳压管V₅₀₁，电阻R₅₀₁和R₅₀₂组成，通过合理选择稳压管V₅₀₁的稳压值，保证恒流源工作过程中负载两端最大压降不大于稳压管V₅₀₁的稳压设定值。当发生恒流源输出过压时，恒流可以通过稳压管V₅₀₁，电阻R₅₀₁和电阻R₅₀₂回流到恒流源负端，有效抑制了恒流源状态切换过程的瞬态高压，确保了恒流源输出的稳定和可靠。

防倒灌电路6利用二极管V₆₀₁和V₆₀₂保护恒流源电路，阻断外部异常反向电流的影响，避免负载反向电流对恒流源内部元器件的冲击，提高了恒流源的可靠性和适应性。

过压状态指示接口电路7包括光耦O₇₀₁，电阻R₇₀₁、R₇₀₂和R₇₀₃，施密特触发器U₇₀₁。该接口电路可以指示当前恒流源是否处于过压输出状态，有利于外部控制电路监控恒流源工作状态。光耦O₇₀₁利用电阻R₇₀₂和电阻R₇₀₃采样输出端电压，同时起到信号隔离传输功能。施密特触发器U₇₀₁将边沿变化缓慢的输出信号变换为矩形脉冲，方便数字系统处理。

进一步的，如图2所示，本发明实施例还增加运算放大器的保护电路，如图2所示。二极管V₁₀₁和V₁₀₂的分别连接运算放大器的正向输入端和反向输入端，有利于降低共模干扰对运算放大器的影响。稳压二极管V₂₀₁可以限制运算放大器的输出，防止场效应管D₂₀₁过压烧毁。

具体的，如图2所示，本发明所述恒流源包括高精度运算放大器U₁₀₁，二极管V₁₀₁、V₁₀₂，稳压管V₁₀₃，电阻R₁₀₁，场效应管D₂₀₁，电阻R₂₀₁、R₂₀₂，运算放大器U₂₀₁，电阻R₃₀₁，三极管T₄₀₁、T₄₀₂，电阻R₄₀₁，电容C₁，电阻R₅₀₁、R₅₀₂，稳压管V₅₀₁，二极管V₆₀₁、V₆₀₂，光耦O₇₀₁，电阻R₇₀₁、R₇₀₂、R₇₀₃，施密特触发器U₇₀₁。

高精度运算放大器U₁₀₁采用OPA277精密运算放大器，该放大器具有低温漂、低偏置电流，高共模抑制比和高电源供电抑制比。运算放大器U₂₀₁采用F007运算放大器，它具有电压放大倍数高，输入阻抗高，共模电压范围大等特点。场效应管D₂₀₁选用增强型P沟道场效应管。

恒流源的电压设定利用由高精度运算放大器U₁₀₁，二极管V₁₀₁、V₁₀₂，稳压管V₁₀₃，电阻R₁₀₁组成的恒流源电压设定电路。由于运算放大器U₁₀₁结合电压跟随器等外围器件组成电压负反馈电路，因此运算放大器U₁₀₁满足“虚短”条件，故当外部电压基准源在恒流源V_ref端施加电压时，可以得出

V_R0＝V_ref (1)

恒流源隔离电路由场效应管D₂₀₁，运算放大器U₂₀₁，电阻R₂₀₁、R₂₀₂组成，实现恒流源输入和基准电压源之间的隔离，同时利用场效应管D₂₀₁、电阻R₂₀₁和R₂₀₂组成的开关电路控制恒流源锁定电路的工作状态。当运算放大器U₁₀₁输出使场效应管D₂₀₁处于导通状态时，电阻R₂₀₁和R₂₀₂的分压将使恒流源锁定电路中的三极管T₄₀₁和T₄₀₂处于饱和导通状态，其基极-发射极二极管均正向导通，此时三极管T₄₀₁的基极将被钳位在

V_B1＝V_ref+2V_ON (2)

其中，V_ON为三极管基极-发射极二极管正向导通压降。因此，流经三极管T₄₀₁和T₄₀₂基极的电流为

I_b＝(V-V_B1)/(R₂₀₁+R₄₀₁+R_D) (3)

其中，R_D为场效应管导通等效电阻。由于三极管T₄₀₁和T₄₀₂的放大倍数均大于100且具有达林顿管的结构，所以流经T₄₀₁和T₄₀₂所需的基极饱和导通电流I_bs约等于零。因而，通过选择R₂₀₁和R₄₀₁的阻值可以保证I_b>I_bs≈0。

恒流源电流设定电路利用采样电阻R₃₀₁产生恒定电流，恒定电流值为

I＝V_ref/R₃₀₁ (4)

分析电路图2可知，流经采样电阻R₃₀₁的电流包括负载电流I₀和基极饱和导通电流I_bs两部分，而基极饱和导通电流基本可以忽略不计。故流经负载R_L的恒流电流值为

I₀＝I-I_b≈I (5)

由式(4)和(5)可以看出，当改变基准源电压V_ref时，恒流源的恒流输出I₀将随之调整。因此，本发明所设计的恒流源电路具有连续的恒流调节功能。

过压保护电路由稳压管V₅₀₁，电阻R₅₀₁、R₅₀₂组成，利用稳压管V₅₀₁的稳压输出能力，保证负载R_L两端最大压降不大于稳压管V₅₀₁的稳压设定值。

防倒灌电路包括二极管V₆₀₁和V₆₀₂，保护恒流源内部器件不受外部负载异常电流接入的影响，提高恒流源电流的可靠性。

过压指示接口包括光耦O₇₀₁，电阻R₇₀₁、R₇₀₂、R₇₀₃，施密特触发器U₇₀₁。当恒流源出现过压输出时，电阻R₇₀₂和电阻R₇₀₃采样得到的输出电压将导致光耦O₇₀₁导通，施密特触发器U₇₀₁的输入端变为低电平，经过施密特触发器反向后，输出端Out_OV得到高电平输出。光耦O₇₀₁输入端信号经过施密特触发器整形为标准矩形脉冲，有利于降低数字系统处理信号的难度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。