项目5 固定式稳流电源电路设计

稳流电源是一种宽频谱、高精度的常用电源，具有响应速度快、恒流精度高、能长期稳定工作、适合各种性质负载(阻性、感性、容性)等优点。稳流电源一般用于检测热继电器、塑壳断路器、小型短路器及需要设定额定电流、动作电流、短路保护电流等生产场合。常用的简易稳流电源通常利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。本项目用数控技术实现了一个简单的固定式稳流电源电路，且输出值不随负载变化而变化。

本项目中恒流源的搭建可以扩展到所有能提供“电压基准”的器件上，其中的电压基准由TL431产生。其设计思路主要是令电路产生一个基准电压输入到运算放大器的输入端，通过负反馈作用，根据变压器输出端之间的关系，保持输出电流的恒定。

设计任务

设计一个简单的稳流电源电路，使其输出1A左右的恒定电流。

基本要求

不因负载(输出电压)变化而改变。

系统组成

固定式稳流电源电路系统主要分为以下两部分。

基准电压输出电路：产生恒流源需要利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流，这里利用TL431产生基准电压。

恒流源产生电路：利用电压跟随器，产生恒定输出电压，稳定电压除以固定电阻产生恒定电流。

系统模块框图如图5-1所示。

模块详解

1.基准电压输出电路

基准电压V_REF（2.5V）由TL431产生，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。这个基准电压由R3和R6分压后输出设置out1点电位，来调节恒流源所需输出电流。

基准电压输出电路仿真图如图5-2所示。基准电压输出端out1用示波器监视，仿真结果如图5-3所示。

如图5-2所示，可以在基准电压输出电路输出端out1处得到稳定的直流基准电压，大小为2.07V。

2.恒流源产生电路

基准电压输出电路的输出端out1处输出稳定的2.07V基准电压至运算放大器的输入端。根据虚短关系，LM_in+端的电压与FB端电压相等，电压值为2.07V。当场效应管导通时，电流I_out可以根据式（5-1）计算。

则输出电流可计算，大小为1.04A。

恒流源产生电路空载仿真图如图5-4所示。

电路中场效应管选择IRF840，IRF840属于第三代Power MOSFETs，特点是噪声低、输入阻抗高、开关时间短。典型应用为电子镇流器、电子变压器、开关电源等。

IRF840是绝缘栅场效应管中的N沟道增强型。绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，由于它的栅极处于不导电（绝缘）状态，所以输入电阻大大提高，这为恒流源的输出精度打下了良好的基础。N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作条件是：只有当栅极电位低于漏极电位时，才趋于导通。恒流源产生电路空载输出波形如图5-5所示。

在电路输出端加入1Ω负载进行测试，可以看到稳流电源的输出并不会因为加入负载而改变，其仿真图如图5-6所示。加入负载后，输出波形如图5-7所示。

在电路加入1Ω负载时，测试负载电流输出为1.04A，与空载相同。之后，调整负载大小，将负载调整为9Ω电阻，其仿真图如图5-8所示。

如图5-9所示为输出波形，图中可见稳流电源电路输出值一直稳定在1.04A，即电源此时具有较好的稳定性。

注意

设计中，只有当栅极电位低于漏极电位时，场效应管才趋于导通。所以当负载过大时，由于流过的电流为恒流，会导致栅极电压与漏极电位逐渐相等，最终场效应管截止，此时不会输出稳定恒流。

固定式稳流电源电路整体电路原理图如图5-10所示。

对电路板进行实际测试，电流输出为0.94A，设计要求输出电流1A，基本符合设计要求。

PCB版图

PCB版图如图5-11所示。

实物测试

固定式稳流电源电路实物图如图5-12所示，固定式稳流电源电路测试图如图5-13所示。

思考与练习

（1）在设计固定式稳流电源电路时，为何选择场效应管而不选择三极管?

答：最常用的简易恒流源用两个同型三极管，利用三极管相对稳定的基极-发射极电压作为基准。为了能够精确输出电流，通常使用一个运算放大器作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的基极-发射极电流导致的误差。如果电流不需要特别精确，则其中的场效应管也可以用三极管代替。场效应管栅极不取电流，这样有助于提高恒流源的精度,用场效应管和大功率三极管复合，即运算放大器输出接场效应管栅极，场效应管漏极接三极管基极，是比较常用的方法。

（2）如何对稳流电源电路进行稳流的验证?

答：在输出端串联变化的负载，可以用电位器来实现。观察当负载变化时，负载两端电压是否跟随负载线性变化。

（3）在固定式稳流电源电路中对于输入级器件及输出级器件有什么要求?

答：因为输入级需要恒压源，所以可以采用具有电压饱和伏安特性的器件作为输入级。一般的PN结二极管就具有这种特性——指数式上升的伏安特性；另外，把增强型MOSFET的源极-漏极短接所构成的二极管，也具有类似的伏安特性——抛物线式上升的伏安特性。而对于输出级器件，如果采用BJT，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小Early效应（基区宽度调制效应），即尽量提高Early电压；如果采用MOSFET，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小其沟道长度影响下的调制效应和衬偏效应。因此，这里一般选用长沟道MOSFET，而不用短沟道器件。