一種低功耗高精度電流源設計

郭嘉誠

（中國計量大學，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，電力電子設備與人們的工作、生活關系日益密切，而任何電子設備都離不開可靠的電源。在日益蓬勃的可穿戴式醫療設備相關領域，現代各類電子醫療設備的發展更是離不開安全穩定的電流源，特別是在手持式設備呈現爆炸式增長的今天。因此，低功耗、寬溫、高精度電流源，成為時下醫用安全電流源的設計目標。結合各類智能手持設備的發展，遠程控制也成為現代設備的設計目標。本文將以以上目標進行創新設計，給出了一套完整的設計方案和仿真結果。

1 設計方案

1.1 改進的Howland電路設計

經典Howland結構的優勢是只需四個電阻，匹配得到其輸出特性可以非常接近理想電流源[1]。它的結構簡單可靠，方便調試與集成，缺點主要是全部電流均由運放輸出，若需要大電流，則運放選型會受到輸出能力的限制，且運放工作電壓即為電源可能輸出的最高電壓，甚至在非軌對軌運放下會有顯著的壓降。由于輸入與輸出中間有電阻網絡直通，因此輸入噪聲也會直接傳遞到輸出，影響系統的噪聲特性。同時，對于感性負載的沖擊電流，并不能提供有效保護，極易造成信號輸出端擊穿損壞[2]。另外，傳統Howland電路對電阻匹配的精度有著較高要求，以獲得高輸出阻抗。由于輸入源阻抗會增加R1的電阻，因此引入的電阻阻值要求很小，以最大程度降低匹配誤差。同時，電源電壓必須比最大輸出電壓高得多，且運算放大器的共模抑制比（CMRR）性能必須相對良好[3]。綜上所述，本文中將其結構作出改進，結果如圖1所示。

圖1 結構改進示意圖

本文中首次提出改進的Howland電路設計，對電流輸出能力有了明顯提升。在提出的改進結構中，使用大功率達林頓管擴展運放的輸出能力，解決了運放輸出能力限制帶來的系統設計限制[4]。同時，運放與主功率輸出級使用不同的電源，使得系統使用更加靈活方便。對于本文中所面向的感性負載且其等效串聯電阻值非常低的情況，適當降低功率級的電源電壓會顯著降低達林頓管的壓力[5]，降低發熱，增加可靠性。在信號反饋過程中，增加了采樣電阻進行反饋，避免了在經典結構中由于R4電阻需要與其他電阻匹配帶來的輸出限制，且使用差分反饋信號使得該電路的輸入輸出對應關系中不再有達林頓管的直流放大倍數——這一嚴重影響系統輸出精度的參數，大大提升了系統的精度和可靠性。

假設運放為理想運放，則有：

若欲使輸出電流與負載無關，則必有：

可得到：

可見，理論上輸出電流與輸入電壓是完全線性的關系。

進一步化簡表達式，得：

若取k2=k3=k4=1，則輸出電流為：

1.2 恒流源模塊

電路原理圖設計如圖2所示。

電路由運放芯片、三極管、保護電容等組成。考慮到噪聲抑制，原理圖上已經采用多個電容與電阻網絡進行濾波和緩沖，可以大幅降低電源串擾。仿真階段，已經能夠明顯看出前后的差別，電流噪聲有效值降低了20 dB，即10倍以上。在印刷電路板走線時，應特別注意功率走線與模擬信號走線的距離和交叉問題，包括連接正反面的地平面的保護隔離，以及在印刷電路板的最外側增設一圈抑制外部輻射干擾的保護地環。在之前的不同版本PCB中，保護地環的作用已經非常明顯。從輸出結果上來看，粗略估算可以將輸出噪聲電壓有效值降低20 dB，即10倍以上。

2 結果與分析

2.1 參數匹配分析

考慮到面對的是實際電路，自然存在著諸多設計限制，特別是對元器件的選擇和對系統可靠性的考慮。

電流傳感器以Rs為采樣基準，分辨率最高要求設為ΔvLmin，使用N位精度ADC進行采樣，其中ADC內置增益為GAIN，則得到電流分辨率為：

Rs在技術指標要求下可以選擇范圍為：

設系統最大輸出電流能力為imax，則元器件對這個能力的影響如下：

對于三極管有PBJT=UCEIC+UBEIB與IE=IC+IB。一般地，IB的值非常低，幾乎可以忽略不計。電流傳感電阻特性有PRs=URsIRs與IRs=IE。純電阻負載靜態特性為UL=ILZL。因此，兩個最重要的工作元件功率限 制 為：PBJT≈ (VCC-ImaxRs-ImaxZL)·Imax≤ Pmax(BJT)與PRs=Rs≤Pmax(Rs)。所以，可以得到：

圖2 電路原理

設計中，需要每路輸出電流最高500 mA，采樣電阻Rs的耗散功率為1 W。根據純電阻功率式（10），再將電流容量保留至500 mA后，最終確定電阻值為1 Ω。本文實際使用時，采用0.22 Ω進行測試。

令：則有：

設：

則有解得

又因為Rs確定為1 Ω，DAC輸出電壓范圍為0～2.5 V，因此的值分別確定為k1=k3=10 kΩ和k2=k4=100 kΩ。解得 k2=k4=10，k3=1，R1～R4

2.2 實驗結果

當負載為1 Ω，采樣電阻為1.09 Ω時，單路模塊測得數據如表1所示。

表1 單路模塊測得的數據

圖3 單路模塊電流輸出

Current=272.4*Vout-0.285 3

SSE:6.321

R-square:0.999 9

RMSE:0.536

由上述可知，該情形況下模塊的線性輸出達到了預期目標。特別是在測量儀器本身具有較高的基礎噪聲時，依然能夠得到非常接近1的R2值，說明模擬系統部分設計較為成功。

當負載為0.22 Ω，采樣電阻為0.22 Ω時，單路模塊測得數據如表2所示。利用MATLAB軟件將測得的數據進行線性擬合，結果如圖4所示。此次改進設計不僅將預期設定的300 mA電流大大擴增到近1 A的大電流，同時保持著良好的線性度，關鍵的模擬電路設計已經超出預期要求。

表2 單路模塊的測得數據

圖4 單路模塊電流輸出

Current=679*Vout+5.867

SSE:107

R-square:0.999 9

RMSE:2.67

由實驗結果可知，本文所設計的改進Howland電路具有良好的線性輸出。

3 結 論

本文設計了一個低功耗寬溫高精度程控電流源。該設計以V/I轉換電路為核心電路，以改進的Howland結構為主要拓撲，進一步提高了電流源的精度，使絕對誤差仿真值達到了納安級。實驗證明，實際電路測量值絕對誤差達到微安級，得到的電流源為高精度的壓控電流源。

[1] 鄭步生，吳 渭.Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

[2] 詩 白，成 英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] Al-Obaidi A A，Meribout M.A New Enhanced Howland Voltage Controlled Current Source Circuit for EIT Applications[C].Proceedings of the GCC Conference and Exhibition （GCC），2011：327-330.

[4] Stiz R A，Bertemes P，Ramos A，et al.Wide Band Howland Bipolar Current Source Using AGC Amplifier[J].Latin America Transactions，2009，7（5）：514-518.

[5] Pelicia M M，dos Reis Filho C A.Fully Integrated Programmable Howland Current Source for Sensors Excitation[C].Proceedings of the Devices，Circuits and Systems，2002 Proceedings of the Fourth IEEE International Caracas Conference on，2002