高精度小電流恒流源的設計與實現

李駿霄，王雪梅，許哲，官章健，吳桐

（1.火箭軍工程大學控制工程系，陜西西安710025；2.96714部隊，福建三明365000）

高精度小電流恒流源的設計與實現

李駿霄1，王雪梅1，許哲1，官章健2，吳桐1

（1.火箭軍工程大學控制工程系，陜西西安710025；2.96714部隊，福建三明365000）

目前以TL431穩壓管搭建的恒流源電路存在小電流輸出狀態下輸出精度較低，溫度跨度大時工作電路的溫漂較大，且不具備抑制溫漂能力，在飛行器系統測試過程中無法全面地滿足指標需求。該文對TL431恒流源做出改進，加入精密運算放大器OP77及π型濾波電路以保證輸出精度，設計溫度系數互補的電阻網絡，通過調整合適的補償點降低恒流源整體溫漂。實驗結果表明：改進后恒流源具有低溫漂、高精度的優越性能。

小電流；高精度；低溫漂；恒流源

0 引言

恒流源在現代計量測試領域應用十分廣泛[1]，文獻[2]中提出使用恒流源供電可以提高標準燈的穩定性，文獻[3]中提到用恒流源測電阻可以獲得比伏安法更高的精度。在對飛行器進行系統測試時，飛行器運動參數的激勵通常通過小電流恒流源來產生，因此對于小電流恒流源的精度和穩定性提出了較高的要求。由于飛行器測試發射環境復雜，外界溫度變化跨度較大，所以在保證小電流恒流源精度設計的前提下，還必須對其溫漂進行有效控制，提高穩定性。

以往由分離器件設計實現的恒流源，多采用MOS管、電壓調整器件等，在環境溫度變化時，通常無法保證輸出電流的穩定性，同時電路設計復雜，占用空間較大，不利于電路的小型化、集成化[4]。

TL431與晶體管搭建的恒流源就是很常見的一種恒流源電路，它的原理簡單、精密度高、溫漂小，但這種恒流源的電源電壓變化會影響輸出電流大小，且負載的變化對恒流源影響也較大，影響其應用范圍[5]。本文以TL431恒流源電路為基礎，進行了改進設計，通過仿真和實驗驗證了改進設計的小電流恒流源具有精度高、低溫漂的特點。

1 常見TL431恒流源電路基本工作原理

常見的TL431恒流源由TL431元件和NPN三極管共同組成。電路原理圖如圖1所示，圖中Rs為基準電阻，電流從VCC流向Isinx。恒流源的輸出理論上為Isinx=V+/Rs（A），恒流源的負載接在V+與Isinx中間[6]。

分析TL431恒流源電路：電路中可控精密穩壓源TL431起電壓基準的作用，即Rs上流過的電流恒定不變。由元件性質可知NPN的集電極電流和發射極電流近似相等，通過這種方式使得Isinx保持恒定。若要產生小電流，則電阻Rs需要具備較高的阻值。由于高值電阻及TL431元件受溫度變化會產生溫漂，所以恒流源輸出電流將會受到溫度的影響[7-8]。這一特性在輸出電流為小電流的情況下尤為明顯。

2 恒流源改進設計方案

2.1 整體改進方案

考慮到飛行器測試對環境的特殊要求，在本設計中將恒流源工作的環境溫度視為主要影響因素。目前，提高電路溫度穩定性的方法主要有恒溫槽溫度控制和局部溫度控制，這兩種方式均需要增加附加的電路和器件，增加了電路的體積和功耗，將會影響器件的壽命和可靠性[9-10]。本文設計中利用低溫漂電阻來進行溫度補償。在電路中設計正負溫度系數不同的兩種電阻網絡，將正溫度系數電阻和負溫度系數電阻串接，使電路整體溫度系數與電壓基準溫度系數互補，通過調整合適的補償點來降低整個系統的溫度系數，提高其溫度穩定性。

綜合考慮測試系統現有狀況及工程現實可行性，分析并做出如下改進：

1）利用TL431BID穩壓器產生2.5V穩定電壓；

2）加入精密運算放大器OP77保證壓差；

3）采用5×10-6/°C高精度可調電阻R2、R4，同精度負溫度系數可調電阻R3、R5；

圖1 TL431與三極管組成的常見恒流源

4）加入π型濾波電路。

恒流源改進設計電路如圖2所示。

2.2 主要改進設計

2.2.1 TL431BID高精度穩壓器

在電路中使用最高等級穩壓器TL431BID來代替傳統TL431穩壓器，其初始精度為B級（0.5%），工作溫度為I級（-40～85℃），封裝類型為SOP-8。使用TL431BID高精度穩壓器可以保證恒流源核心硬件在溫度變化較大時正常工作。

2.2.2 OP77運算放大器

采用OP77低電壓飄移運算放大器，其特性為低失調電壓、低失調電壓漂移、低輸入偏置電流、低壓噪聲密度，低溫度系數。由于TL431BID在正常工作過程中會產生-100～150 mA的陰極電流，這將會對恒流源輸出電流產生干擾，所以在設計中加入OP77運放，用以吸收TL431 BID的工作電流。保證采樣電阻兩端的壓差穩定及輸出電流的恒定。

2.2.3 電阻

在電阻選擇上，主要采用5×10-6/°C高精度可調電阻，利用其組合產生的溫度系數抵消TL431BID元件的溫度系數。R1作為限流電阻，其目的是使TL431BID元件達到其正常工作的電流。R2～R5作為可調控制電阻，進行帶載時輸出電流的調整校準。R6為滑動變阻器，其作用為實現恒流源電流輸出微調。電路中利用R2、R3、R4、R5、R6組合使用所形成的溫度補償系數抵消TL431BID器件的溫度系數。通過調節可調電阻阻值來調整恒流源輸出值。設計中將大電阻分散為R2～R54個串聯小電阻組合，可利用R2、R4的正溫漂抵消R3、R5的負溫漂，整體達到更低的漂移量。另外，將大電阻分散為R2～R54個125:25:5:1的等比值電阻，也可以提高恒流源面對不同負載情況下的可調范圍和調整精度，在一定程度上分散了元器件工作過程中的熱能損失分布，減少了恒流源工作過程中的自身產熱所導致的溫度變化。

圖2 恒流源主體電路設計圖

2.2.4 濾波電路

1）在12V標準電壓源中加入π型濾波電路，減少電源的輸入噪聲，同時為TL431BID和OP77提供穩定的基準電壓源，提高恒流源穩定性[11]。

2）在輸入端基準電阻兩側加入濾波電路，保證TL431BID穩壓器的穩定性和輸入電流精度。

3）在輸出端加入濾波電路，去除芯片噪聲[12]，保證小電流輸出精度。

3 恒流源改進前后性能對比

由于在仿真電路中，電子元件均為理想狀態，只能通過計算不同溫度下的電阻溫漂來模擬溫度變化，無法進行恒流源精度驗證，故在仿真中僅分析恒流源電路在不同溫度下的輸出情況。

3.1 改進前后恒流源溫度性能仿真分析

采用Multisim軟件搭建仿真電路，仿真電路如圖2（b）所示。由于彈上系統所需恒流源輸出值為定值，若輸出電流為4mA時，分析電路可得出電流計算公式如下：改進后恒流源電路中輸出4mA時的電阻數據，如表1所示。

表1 電阻數據對應表

對于仿真電路，假定20℃為恒流源準確輸出4mA的溫度環境。根據電阻溫度系數計算出溫度變化后的阻值，以100Ω為例，其溫度系數為-5×10-6/℃，溫度變化10℃后的阻值變化為100Ω×10×（-5）×10-6=-5mΩ。

以此為依據進行電路中電阻阻值調整，模擬空載時溫度對恒流源電路的影響。改進前后仿真電路溫度變化時輸出電流變化對比如表2、表3所示。

表2 改進前恒流源受溫度影響的電流變化仿真結果

表3 改進后恒流源受溫度影響的電流變化仿真結果

由表中的仿真結果可得，在仿真理想狀態下，改進后電路受溫度變化所帶來的影響更小，克服了改進前的缺點，性能得到了提升。

根據礦泥的性質，結合現場條件，本著工藝簡單、措施可靠、投資少、見效快的原則，采用普通 XJK-6A型浮選機直接從礦泥尾礦中浮選回收錫石的生產工藝，其具體流程見圖 1。礦泥需經隔渣篩隔渣，然后進行三次脫泥，溢流丟尾，脫泥后的沉砂經一粗一精兩掃脫出硫化物，除硫尾礦經一粗三掃三精產出錫精礦，尾礦則丟尾。錫石浮選采用草酸作PH調整劑，TL-1作捕收劑，P86作輔助捕收劑和起泡劑，碳酸鈉作TL-1的助溶劑。

3.2 改進后恒流源的工程實現

按照圖2電路設計圖搭建實驗濾波電路及恒流源電路，器件與型號保持一致。利用Cadence軟件繪制PCB雙層板卡并印刷制作測試用例，其中上層板卡作為主要功能板卡，下層板卡作為濾波供電板卡，PCB設計圖如圖3所示。

在設計中采用的TL431BID穩壓器及OP77運算放大器，因其具有一定的發熱量，所以在布線時應將這些器件盡可能地遠離基準電阻等元件。由于恒流源電路中電阻的溫度系數用以補償電路溫漂，而導帶的溫度系數與電阻溫度系數相差幾個數量級，對電路的影響較大，所以在設計時要求連接電阻的導帶電阻必須盡量小。通常使用加寬、增厚的方式設計導帶，以減小導帶電阻。

3.3 改進前后恒流源實驗結果

經過仿真實驗可以看出改進后恒流源具有優良的性能，但在實際電路中由于除電阻外的各部分電路也會受到溫度的影響，并且電路工作會產生一定的溫度，和理想情況下電路還是有一定的區別，所以很有必要通過實物實驗進行驗證。考慮到在實際情況中，恒流源負載為固定值，所以在實驗過程中以空載情況為例。實際應用于測試系統中時，應在不同的負載下通過調整高精度可調電阻R2～R5實現輸出電流校準。

3.3.1 輸出精度對比

在恒流源設計中加入了3組濾波電路，其目的是消除抖振，保證輸出電流精度。在實驗中，將傳統TL431恒流源和改進后高精度小電流恒流源同時通電工作，保持溫度為20℃不變，待恒流源穩定工作后，采用安捷倫數字萬用表對恒流源輸出電流進行測量，每隔15min測一組數據，共測10組作為判斷其輸出精度的依據。測量數據如表4所示。

根據表中實驗數據，選取電流最大波動值除以恒流源額定電流4mA即為恒流源精度。經計算可得，改進前恒流源在20℃溫度下準確度為2.69%，改進后恒流源在20℃溫度下準確度為0.1%。可以看出改進后恒流源在輸出精度上有了很大程度的提高。3.3.2抑制溫漂性能對比

圖3 雙層板卡PCB設計圖

表4 改進前后恒流源輸出精度對比

模擬溫度變化環境的方法一般采用外加熱源和溫控箱兩種方式，前者通過電熱吹風產生溫度環境，使用溫度計來進行溫度標定，這種方法的優點是易于實現，缺點在于電熱吹風產生的溫度環境不穩定，溫度計標定精度不高；較之外加熱源法，后者可以產生精準穩定的溫度環境，所以在實驗中采用溫控箱來模擬溫度變化。

將實驗電路接12V電源后置于溫控箱中，通過溫控箱產生實驗所需的溫度環境，溫度變化范圍與仿真分析中一致。初始溫度設定為-20℃，溫度變化步長設置為10℃，在測量時保持溫度恒定，采用安捷倫數字萬用表對恒流源輸出電流進行測量，同一溫度下測5組數據求其平均值作為輸出電流值。

對于改進前后的電路，恒流源輸出-20～50℃過程中電流隨溫度的變化過程如表5、表6所示。

表5 改進前恒流源受溫度影響實驗結果

表6 改進后恒流源受溫度影響實驗結果

從表6中可以看出，-20～50℃溫度環境下，改進后的恒流源受溫度影響大大減小，在溫度變化環境下的工作適應能力得到增強。由改進后恒流源仿真分析結果可知，在電源電壓為12V，負載為空載情況下，改進后的恒流源在很大程度上抑制了元器件溫度漂移帶來的輸出誤差。

3.3.3 輸出穩定性對比

利用Matlab軟件對輸出電流值進行繪制，結果如圖4所示。

圖4 輸出電流擬合曲線

根據表5、表6計算改進前恒流源輸出電流平均值為3.9398mA，改進后恒流源輸出電流平均值為3.9999mA，將表中的測量數據代入電流穩定度公式，得到改進前穩定度：

可以看出，較之于原電路，改進后恒流源電路穩定度有著明顯提高，具有良好的輸出穩定性。

4 結束語

本文設計了一種利用溫度系數補償的方法，實現了-20～50℃溫度變化下可以穩定輸出高精度小電流的恒流源的設計。通過PCB印刷測試電路板，對測試用例進行測試結果分析，得出測試恒流源在溫度變化時仍然具有穩定的高精度小電流輸出，具備飛行器測試中高精度、低溫漂的要求。設計電路中僅使用常用的架上產品，成本較低，易于工程實現，具有較好的應用價值和應用前景。高精度小電流恒流源的設計使用為飛行器測試過程中的一系列測量提供了穩定恒定電流輸出，可提升飛行器測試系統的精確性、可靠性和環境適應性。

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（編輯：李妮）

Design and realization of high precision and small current constant current source

LI Junxiao1，WANG Xuemei1，XU Zhe1，GUAN Zhangjian2，WU Tong1
（1.Department of Control Engineering，Rocket Force University of Engineering，Xi'an 710025，China；2.PLA，No.96714 Troop，Sanming 365000，China）

The constant currentsourcecircuit，built by TL431voltage regulator，has many disadvantages suchas low output accuracy under small currentoutput conditions，the huge temperature drift of working circuit under large temperature span conditions and the disability to inhibit the temperature drift，thus it cannot meet index requirements when testing aircraft system.In this paper，the constant current source was improved:ensured the output accuracy by adding precision operational amplifiers OP77 and π-type filter circuit，designed a resistor network with complementary temperature coefficient，adjusted the appropriate compensation point to reduce the overall temperature drift of the constant current source.Finally，a small constant current source with low temperature drift and high precision was designed and the experiment result show that the improved constant current source has superior performance.

small current；high precision；low temperature drift；constant current source

A

1674-5124（2017）08-0136-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.027

2017-02-03；

2017-04-01

李駿霄（1993-），男，山東曲阜市人，碩士研究生，專業方向為控制系統通用測試方法研究。