所謂恒流源，即對應于一定的電壓變化所產生的電流變化趨于零，電流是一個恒定值，具有很高的動態輸出電阻。

目前廣泛采用的恒流源有兩種形式：一種是開關型恒流源、一種是線性恒流源。但滿足高精度的要求只有線性恒流源。線性恒流源雖然電源效率低，但紋波系數小、穩定性好、精密度高：開關型恒流源雖然效率高，但紋波系數較大，不適合用于精密測量。而復合型精密恒流源是一種由前級為精密開關電壓源電路，后級由集成線性穩壓器構成恒流源電路而構成的恒流源系統。

復合型精密恒流源因其電路簡單、體積小、性能好，在精密測量和電學計量(如計量、半導體性能測試、傳感器應用、現代大型儀器中穩定磁場的產生等)等方面具有廣泛的應用前景。

本文設計的復合型精密恒流源，額定交流輸入電壓為160～250V，頻率50Hz，經恒壓源、恒流源后輸出0～1A穩定的可調電流。

1 復合型精密恒流源基本結構與總體設計

復合型精密恒流源的基本結構如圖1所示。主要由交流輸入電路、整流濾波電路、開關恒壓源和線性恒流源組成。其中開關恒壓源和線性恒流源是實現恒流控制的核心。RL為電路負載，RS為電流調節電阻。

當RL發生變化時，集成穩壓器通過改變自身壓差的形式，維持通過負載的電流恒定。所以通過設定恒流電阻RS的值，就可以得到所需的恒流電流。

恒壓源包括了TOP224Y器件組成的PWM驅動反激式變換電路、高頻隔離變壓器和整流濾波電路、輸出電壓檢測電路。線性恒流源主要由IC(三端穩壓器)、負載電阻RL和恒流電阻RS組成。

2 開關恒壓源設計

2.1 TOP224的工作原理

TOP224Y是主電路的核心控制器件，其內部結構如圖2所示，主要包括以下幾個部分：

(1)控制電壓源。由控制電壓Uc向并聯調整器和門極驅動提供偏壓，而控制端電流TC則能調節占空比；

(2)帶隙基準電壓源。可以提供各種基準電壓；

(3)振蕩器。產生鋸齒波SAW、最大占空比信號和時鐘信號；

(4)并聯調整器/誤差放大器；

(5)脈寬調制器。通過改變控制端電流IC的大小，連續調節脈沖占空比，實現脈寬調制并能濾掉開關噪聲電壓；

(6)門驅動級和輸出級。內含耐壓為700V的功率開關管MOSFET；

(7)過流保護電路。利用MOSFET的漏源通態電阻來檢測過電流，當漏極電流過大時MOSFET關斷，起到過流保護作用；

(8)過熱保護及上電復位電路。當芯片結溫t>135℃時關斷輸出級；

(9)關斷/自動重啟動電路。當調節失控時，立即使芯片在低占空比下工作。當故障已排除，就自動重新啟動電源恢復工作；

(10)高壓電流源。提供偏流用。

2.2 開關恒壓源的工作原理

開關恒壓源電路主要由TOP224Y器件及其外圍器件、高頻隔離變壓器和整流濾波電路、輸出電壓檢測電路組成。其電路圖如圖3所示。由于TOP224Y器件集成了通態可控柵極驅動電路的高壓N溝道功率MOSFET管、電壓型PWM控制器、100kHz高頻振蕩器、高壓啟動偏置電路、帶隙基準、用于環路補償的并聯偏置調整器以及誤差放大器和故障保護的全部功能，因而采用后可使電路更為簡潔，設計更為方便，性能更強。

如圖3所示的開關恒壓源原理如下：輸出經過TL431反饋并將誤差放大，TL431的恒流端驅動光電耦合器U的發光部分，而處在電源高壓這邊的光耦感光部分得到的反饋電流，用來調整TOP224Y器件的開關時間，從而得到一個穩定的直流電壓輸出。

TOP224Y與高頻隔離變壓器、外部誤差放大器都是開關恒壓源的重要組成部分。

圖3中C1起濾波作用，整流濾波后提供的直流電壓加到T的初級繞阻N1的上端。

TVS1為P6KE200瞬態吸收二極管，D1為UF4005超快恢復二極管，TVS1和D1起保護TOP224Y中的MOSFET的作用。N1下端由TOP224Y的漏極D內的功率開關場效應管MOSFET來驅動，VR1和D1能濾除因T的漏感引起的尖峰電壓，從而保護TOP224Y中的MOSFET。

D2起整流作用，C2、L1、C3起濾波作用。當N2輸出電能時，N2上的高頻電壓經D2整流，再經C2、L1、C3濾波后，獲得所設定的額定直流輸出電壓Vo。

D3起整流作用，C4起濾波作用。T的N3上的高頻電壓經D3整流和C4濾波后，給反饋電路中光耦PC817的光敏三極管集電極供電。

R4、R5有分壓器的功能。其作用是采樣輸出電壓。

U為線性光電耦合器PC817，當輸入極電流線性變化時，輸出光敏三極管電流線性變化，可連續反映電壓的變化。

高頻變壓器能使變換器的輸入電源與負載之間實現電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性；選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓與負載所需的輸出電壓Uo，能使直流變換器的占空比D數值適中，而不至于接近于零或接近于1。其中輸出電路由高頻變壓器的二次側、二極管和濾波電容組成，當開關管導通時，變壓器二次側的電壓使二極管反偏截止，當開關管關斷時，變壓器二次側的電壓使二極管導通，向負載供電。為得到穩定的電壓，采用輸出濾波電路，濾除高頻輸出電路的紋波。

外部誤差放大器由光電耦合器和可調式精密三端穩壓器TL431(具有電流輸出能力的可調基準電壓源)組成。當輸出電壓升高時，由電阻組成的分壓器的采樣電位也隨之升高，經與TL431內部的基準參考電位比較后，使光電耦合器中發射極電流增加，進入TOP224Y控制端C，使內部PWM控制器占空比下降，控制內部MOSFET占空比下降，導致輸出電壓下降。反之亦然，從而實現自動精密穩壓。

3 線性恒流源設計

線性恒流源電路中的IC為三端浮動穩壓器LM317。當工作時LM317建立并保持輸出與調節端之間1.25V的標稱參考電壓(Vref)，這一參考電壓由RS轉換成設定電流，該電流經RL到地，輸出電流由下式給出：

IAdj的電流小于100μA，在這里忽略，故Iout=1.25/RS，所以通過設定恒流電阻RS的值，就可以得到所需的恒流電流。

在恒定輸入電壓15V的條件下，能很好地保證輸出線性恒定的電流。

線性恒流源主要由三端可調式穩壓器、負載電阻RL和電流調節電RS組成。其電路圖如圖4所示。

在輸入電壓恒定的條件下，當RS為固定阻值時，電路提供一恒定電流Iout。當RS為可調電阻時，提供某一范圍內的恒定電流Iout。

圖4中，RL為負載電阻，RS為電流調節電阻，C為濾波電容。LM317為三端浮動穩壓器，其輸入恒定電壓15V，能很好地保證恒流源輸出線性恒定電流。

根據本文技術指標，輸出功率12W，輸出電流0～1A，可計算出RS最小電阻為1.25Ω。RS選用WX3型號，其為額定功率3W、阻值范圍為1.25Ω～10kΩ的線繞多圈電位器。C起濾波作用，取100μF/50V。

4 實驗測試及分析

4.1 開關恒壓電路測試

圖5是開關電源輸出15V時的電壓波形。可以看出，輸出電壓波形穩定，紋波小。

交流輸入在160～250V之間時，穩壓源輸出直流電壓為15V。對復合型精密恒流源的開關恒壓電路的測試數據如表1所示。

以上數據表明，當輸入電壓發生改變時，開關恒壓電路輸出電壓變化小，精度在1%，輸出15V電壓穩定。

4.2 線性恒流電路測試

經三端穩壓器輸出12V恒定電壓，輸出電流范圍為0～1A。通過調節可調電阻RS使恒流源分別輸出0.1A、0.4A、0.6A、0.8A、1.0A的電流，取負載電阻RL為1～10Ω，測負載電流IL的變化。復合型精密恒流源的測試數據如表2所示。

當負載為10時，恒流波形輸出如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，恒流輸出的波形平穩，波動小。

從表2數據可看出。當恒流源輸出0～1A恒定電流時，負載RL在1～10Ω內變化時，其負載電流基本不變。

5 結論

本文采用TOP224Y研制了復合精密恒流源，詳細設計了外圍電路，并進行了參數計算，通過實測結果分析，驗證了設計電路的可行性。測試結果表明，本文設計的復合型精密恒流源，在交流輸入電壓160～250V變化時，可輸出0～1A范圍的恒定電流，輸出電流的波形穩定，波動小，具備線性恒流源的精密性和穩定性，完全符合設計要求。