恒流電源電路設計的六個提示

LED電源的工程師經常提及“恒流”驅動，其實，在很多電子設備中，有許多用電設備要求供給的電流(而不是電壓)保持恒定。一般把這種能夠向負載提供恒定電流的電源稱為恒流源。所謂恒流，是一種習慣說法，并不是電流值絕對不變，只是這種變化相對的小而已，在一個規(guī)定的工作范圍內保持足夠的穩(wěn)定性。

基本的恒流源電路主要是由輸入級和輸出級構成，輸入級提供參考電流，輸出級輸出需要的恒定電流。

恒流源電路就是要能夠提供一個穩(wěn)定的電流以保證其它電路穩(wěn)定工作的基礎。即要求恒流源電路輸出恒定電流，因此作為輸出級的器件應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MOSFET來實現(xiàn)。

為了保證輸出晶體管的電流穩(wěn)定，就必須要滿足兩個條件：

a）其輸入電壓要穩(wěn)定——輸入級需要是恒壓源；

b）輸出晶體管的輸出電阻盡量大（最好是無窮大）——輸出級需要是恒流源。

基本的恒流源電路，這里依據主要組成器件的不同，可分為三類：晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源等。

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電流影響小，并在電路中采用電流負反饋來提高輸出電流之恒定性，通常，還采用一定的溫度補償和穩(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點電位為Vb，Re形成電流負反饋 ,輸出電流IO=(Vb-Vbe)/Re≈Vb / Re (Vb >>Vbe)。B圖的計算參考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，當只需幾伏的工作電壓，采用這種恒流源電路 ,其等效內阻是非常大，功耗大，且精度不高。

實際電路中，最常用的簡易恒流源如圖2所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的be電壓作為基準，電流數(shù)值為：I=Vbe/R1。

提示2：

圖2的這種恒流源優(yōu)點是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產品的成本。缺點是不同型號的管子，其be 電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。

二、場效應管恒流源

由場效應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 ,變成一純兩端網絡 ,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效應管為JEFT，超低噪聲，輸出電流有JEFT決定，檢測電壓與JEFT有關。

三、集成運放恒流源

為了能夠精確輸出電流，通常使用一個運放作為反饋，同時使用場效應管避免三極管的be電流導致的誤差。典型的運放恒流源如圖4所示，如果電流不需要特別精確，其中的場效應管也可以用三極管代替如圖4B。如圖4B中，工作時，輸入電壓Vref與輸出電流成比例的檢測電壓，Vs(Vs=Rs*Iout)相等，Is=Ib+Iout=Iout(1+1/Hfe)其中1/Hfe為誤差。

提示4：

這個電路可以認為是恒流源的標準電路，除了足夠的精度和可調性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調試。只不過其中的Vin還需要用戶額外提供。

從以上兩個電路可以看出，恒流源有個定式，就是利用一個電壓基準，在電阻上形成固定電流。有了這個定式，恒流源的搭建就可以擴展到所有可以提供這個"電壓基準"的器件上，最典型的就是利用TL431組成的恒流源電路。

TL431是另外一個常用的電壓基準，利用TL431搭建的恒流源如圖5所示，其中的三極管替換為場效應管可以得到更好的精度。

電流計算公式為：Iout=Vref/Rs，檢測電壓根據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，簡單實用且精度高。有經驗的模擬電路工程師經常會用三端穩(wěn)壓IC做恒流源，使用這些三端穩(wěn)壓電源IC，本身精度已經很高，需要的維持電流也很小。利用三端穩(wěn)壓構成恒流源，也有非常好的性價比，如圖5所示的LM317的兩種類型。

電流計算公式為：I=V/R1，其中V是三端穩(wěn)壓的穩(wěn)壓數(shù)值。

提示6：

這種結構的恒流源，不適合太小的電流，因為這個時候，三端穩(wěn)壓自身的維持電流會導致較大的誤差。

總結

恒流源的實質是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調節(jié)設備的供電狀態(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。

能夠進行電流反饋的器件，還有電流互感器，或者利用霍爾元件對電流回路上某些器件的磁場進行反饋，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)進行反饋。這些方式都能夠構成有效的恒流源，而且更適合大電流等特殊場合，不過因為這些實現(xiàn)形式的電路都比較復雜，這里就不一一介紹了。