基于TOP224Y复合型精密恒流源的设计

0 引言
     所谓恒流源，即对应于一定的电压变化所产生的电流变化趋于零，电流是一个恒定值，具有很高的动态输出电阻。
     目前广泛采用的恒流源有两种形式：一种是开关型恒流源、一种是线性恒流源。但满足高精度的要求只有线性恒流源。线性恒流源虽然电源效率低，但纹波系数小、稳定性好、精密度高：开关型恒流源虽然效率高，但纹波系数较大，不适合用于精密测量。而复合型精密恒流源是一种由前级为精密开关电压源电路，后级由集成线性稳压器构成恒流源电路而构成的恒流源系统。
     复合型精密恒流源因其电路简单、体积小、性能好，在精密测量和电学计量(如计量、半导体性能测试、传感器应用、现代大型仪器中稳定磁场的产生等)等方面具有广泛的应用前景。
     本文设计的复合型精密恒流源，额定交流输入电压为160～250V，频率50Hz，经恒压源、恒流源后输出0～1A稳定的可调电流。

1 复合型精密恒流源基本结构与总体设计
     复合型精密恒流源的基本结构如图1所示。主要由交流输入电路、整流滤波电路、开关恒压源和线性恒流源组成。其中开关恒压源和线性恒流源是实现恒流控制的核心。RL为电路负载，RS为电流调节电阻。
   
   
     当RL发生变化时，集成稳压器通过改变自身压差的形式，维持通过负载的电流恒定。所以通过设定恒流电阻RS的值，就可以得到所需的恒流电流。
     恒压源包括了TOP224Y器件组成的PWM驱动反激式变换电路、高频隔离变压器和整流滤波电路、输出电压检测电路。线性恒流源主要由IC(三端稳压器)、负载电阻RL和恒流电阻RS组成。

2 开关恒压源设计
2．1 TOP224的工作原理
   
   
     TOP224Y是主电路的核心控制器件，其内部结构如图2所示，主要包括以下几个部分：
     (1)控制电压源。由控制电压Uc向并联调整器和门极驱动提供偏压，而控制端电流TC则能调节占空比；
     (2)带隙基准电压源。可以提供各种基准电压；
     (3)振荡器。产生锯齿波SAW、最大占空比信号和时钟信号；
     (4)并联调整器／误差放大器；
     (5)脉宽调制器。通过改变控制端电流IC的大小，连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制并能滤掉开关噪声电压；
     (6)门驱动级和输出级。内含耐压为700V的功率开关管MOSFET；
     (7)过流保护电路。利用MOSFET的漏源通态电阻来检测过电流，当漏极电流过大时MOSFET关断，起到过流保护作用；
     (8)过热保护及上电复位电路。当芯片结温t>135℃时关断输出级；
     (9)关断／自动重启动电路。当调节失控时，立即使芯片在低占空比下工作。当故障已排除，就自动重新启动电源恢复工作；
     (10)高压电流源。提供偏流用。
2．1 开关恒压源的工作原理
     开关恒压源电路主要由TOP224Y器件及其外围器件、高频隔离变压器和整流滤波电路、输出电压检测电路组成。其电路图如图3所示。由于TOP224Y器件集成了通态可控栅极驱动电路的高压N沟道功率MOSFET管、电压型PWM控制器、100kHz高频振荡器、高压启动偏置电路、带隙基准、用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护的全部功能，因而采用后可使电路更为简洁，设计更为方便，性能更强。
   
   
     如图3所示的开关恒压源原理如下：输出经过TL431反馈并将误差放大，TL431的恒流端驱动光电耦合器U的发光部分，而处在电源高压这边的光耦感光部分得到的反馈电流，用来调整TOP224Y器件的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。
     TOP224Y与高频隔离变压器、外部误差放大器都是开关恒压源的重要组成部分。
     图3中C1起滤波作用，整流滤波后提供的直流电压加到T的初级绕阻N1的上端。
     TVS1为P6KE200瞬态吸收二极管，D1为UF4005超快恢复二极管，TVS1和D1起保护TOP224Y中的MOSFET的作用。N1下端由TOP224Y的漏极D内的功率开关场效应管MOSFET来驱动，VR1和D1能滤除因T的漏感引起的尖峰电压，从而保护TOP224Y中的MOSFET。
     D2起整流作用，C2、L1、C3起滤波作用。当N2输出电能时，N2上的高频电压经D2整流，再经C2、L1、C3滤波后，获得所设定的额定直流输出电压Vo。
     D3起整流作用，C4起滤波作用。T的N3上的高频电压经D3整流和C4滤波后，给反馈电路中光耦PC817的光敏三极管集电极供电。
     R4、R5有分压器的功能。其作用是采样输出电压。
     U为线性光电耦合器PC817，当输入极电流线性变化时，输出光敏三极管电流线性变化，可连续反映电压的变化。
     高频变压器能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性；选择变压器的变比还可匹配电源电压与负载所需的输出电压Uo，能使直流变换器的占空比D数值适中，而不至于接近于零或接近于1。其中输出电路由高频变压器的二次侧、二极管和滤波电容组成，当开关管导通时，变压器二次侧的电压使二极管反偏截止，当开关管关断时，变压器二次侧的电压使二极管导通，向负载供电。为得到稳定的电压，采用输出滤波电路，滤除高频输出电路的纹波。
     外部误差放大器由光电耦合器和可调式精密三端稳压器TL431(具有电流输出能力的可调基准电压源)组成。当输出电压升高时，由电阻组成的分压器的采样电位也随之升高，经与TL431内部的基准参考电位比较后，使光电耦合器中发射极电流增加，进入TOP224Y控制端C，使内部PWM控制器占空比下降，控制内部MOSFET占空比下降，导致输出电压下降。反之亦然，从而实现自动精密稳压。

3 线性恒流源设计
     线性恒流源电路中的IC为三端浮动稳压器LM317。当工作时LM317建立并保持输出与调节端之间1．25V的标称参考电压(Vref)，这一参考电压由RS转换成设定电流，该电流经RL到地，输出电流由下式给出：
     
     IAdj的电流小于100 μA，在这里忽略，故Iout=1．25／RS，所以通过设定恒流电阻RS的值，就可以得到所需的恒流电流。
     在恒定输入电压15V的条件下，能很好地保证输出线性恒定的电流。
     线性恒流源主要由三端可调式稳压器、负载电阻RL和电流调节电RS组成。其电路图如图4所示。
   
   
     在输入电压恒定的条件下，当RS为固定阻值时，电路提供一恒定电流Iout。当RS为可调电阻时，提供某一范围内的恒定电流Iout。
     图4中，RL为负载电阻，RS为电流调节电阻，C为滤波电容。LM317为三端浮动稳压器，其输入恒定电压15V，能很好地保证恒流源输出线性恒定电流。
     根据本文技术指标，输出功率12W，输出电流0～1A，可计算出RS最小电阻为1．25Ω。RS选用WX3型号，其为额定功率3W、阻值范围为1．25Ω～10kΩ的线绕多圈电位器。C起滤波作用，取100μF／50V。

4 实验测试及分析
4．1 开关恒压电路测试
     图5是开关电源输出15V时的电压波形。可以看出，输出电压波形稳定，纹波小。
   
   
     交流输入在160～250V之间时，稳压源输出直流电压为15V。对复合型精密恒流源的开关恒压电路的测试数据如表1所示。
   
   
     以上数据表明，当输入电压发生改变时，开关恒压电路输出电压变化小，精度在1％，输出15V电压稳定。
4．2 线性恒流电路测试
     经三端稳压器输出12V恒定电压，输出电流范围为0～1A。通过调节可调电阻RS使恒流源分别输出0．1A、0．4A、0．6A、0．8A、1．0A的电流，取负载电阻RL为1～10Ω，测负载电流IL的变化。复合型精密恒流源的测试数据如表2所示。
   
       当负载为10时，恒流波形输出如图6和图7所示。
   
   
     由图6和图7可知，恒流输出的波形平稳，波动小。
     从表2数据可看出。当恒流源输出0～1A恒定电流时，负载RL在1～10Ω内变化时，其负载电流基本不变。

5 结论
     本文采用TOP224Y研制了复合精密恒流源，详细设计了外围电路，并进行了参数计算，通过实测结果分析，验证了设计电路的可行性。测试结果表明，本文设计的复合型精密恒流源，在交流输入电压160～250V变化时，可输出0～1A范围的恒定电流，输出电流的波形稳定，波动小，具备线性恒流源的精密性和稳定性，完全符合设计要求。