于保军，孙伦杰，边亚辉，刘静，于文函

（1.长春工业大学，吉林 长春 130012；2.山东协和学院，山东 济南 250107）

毫安级可控恒流源设计

于保军1，孙伦杰1，边亚辉1，刘静2，于文函1

（1.长春工业大学，吉林 长春 130012；2.山东协和学院，山东 济南 250107）

在检测安全气囊的工作电阻时，为使得工作能够安全高效的进行，文章设计出了毫安级高精度可控恒流源。该恒流源由两大块组成，分别是恒流源控制模块和电源模块，文章中将镜像电源电路作为恒流源控制模块，采用精密电阻Ro作为采样电阻，把Ro输出的电压通过AD芯片反馈给控制系统，经过程序运算，控制DA芯片输出电流，把输出电流转变成电压，然后经过放大电路进行调整输入恒流源控制模块电压，从而实现恒流源可调。最后，通过实验验证，该直流恒流源电流最大误差为3.23%，满足5%以内的要求；最大纹波系数为0.00032%，满足低于0.001%的要求。

控制模块；电源模块；镜像电源电路；恒流源精度；纹波系数

引言

恒流源是能够向负载提供恒定电流的稳定电源模块，它被广泛地应用于各种测量与控制系统中，在电子技术中具有非常重要的地位[1]。随着中国经济的迅速发展，汽车已经迈入普通家庭的消费视野，随之而来驾驶汽车的被动安全性开始成为人们谈论的热点，而安全气囊作为被动安全性的重要组成之一，在发生事故时，其能否安全正常的工作至关重要。因此，对于安全气囊工作电阻是否合格的检测是必要的，在检测时如果使用大电流检测会引爆安全气囊，而使用 1mA恒流源对工作电阻进行检测既不会引爆安全气囊又大大提高工作效率，因此，1mA恒流源的设计显得尤为重要。

恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。设计恒流源时可以利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。这样的话，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。

1 可控毫安恒流源电路原理设计

1.1 可控毫安恒流源系统框图

如图1所示。该系统框图包括单片机控制系统、恒流源控制模块、电源模块、A/D芯片、D/A芯片、LED液晶等。具体工作过程：通过键盘输入信号给单片机，单片机将控制D/A芯片，把D/A芯片输出电流转换成电压，接着经过运算放大器放大电路，把电压放大到相应的倍数，作为恒流源控制模块的输入电压，而电源模块作为恒流源控制模块的基准电压，最后利用A/D芯片采集采样电阻两端电压，反馈到单片机控制系统，把反馈的实际电压与设定电压进行比较，通过控制程序算法对输入电压进行调整，维持输出电流恒定。

图1 可控毫安恒流源系统框图Fig.1 Milliamperes controllable constant current sourcesystem block diagram

1.2 电源模块

如图2所示，该电源模块由稳压芯片，变压器和滤波电容等组成。该模块为单片机提供v5±工作电压，为运算放大器提供v18±基准电压。

图2 电源模块电路原理图Fig.2 Schematic diagram of power module circuit

变压器选型计算方法如公式（1），经过变压器变压后，开始对电路进行整流滤波，该电路在整流前对电路高频滤波作用是避免大的冲击波损坏后面的电子元器件[2]。

整流过后进行二级滤波，同时又加上稳压芯片，其主要作用是使输出为平滑的直流电压，并且可以避免线路中的谐波干扰。在电源设计中，滤波电容的选取原则是：C≥2.5T/R，

式中：

C为滤波电容，单位为μF；

T为频率，单位为Hz；

R为负载电阻，单位为Ω。

如图3和图4所示稳压前后电压对比[3]。

图3 稳压芯片7818前后电压波形对比图Fig.3 Comparison of voltage waveform before and after voltage regulator chip 7818

图4 稳压芯片7805前后电压波形对比图Fig.4 Comparison of voltage waveform before and after voltage regulator chip 7805

1.3 恒流源控制模块

如图5所示，恒流源控制模块是由镜像电路组成，当电源电压Uin变化时，虽然IRI和IC1也要变化，由于RE的负反馈作用，IC2的变化将要小得多，提高了恒流源对电源变化的稳定性。当温度上升时，I0将要增加，此时UBE1和UBE2均将下降，所以对I0的增加有抑制作用，提高了恒流源对温度变化的稳定性。由于RE引入电流负反馈。因此微电流的输出电阻比Q2本身的输出电阻rce要高得多，更接近理想的恒流源[4]。

图5 恒流源控制模块电路原理图Fig.5 circuit principle of constant current source control module

在Q2的发射极引入RO，由UBE2＜UBE1，可知IRI＜IR，根据PN节伏安特性方程：

当UBE＞＞UT时，

代入上式（4），（5）得：

由公式（6）得IO，然后经程序控制算法公式（7）处理后，通过控制程序不断调整Uin输出大小，直至输出电流值在(1～±5%)mA 之内[5]。

式中：

b*--R0电压实测值；

b0-- R0电压设定值；

a0--输入D/A芯片数字量设定值；a*0--输入D/A芯片实际数字量；k --放大电路放大倍数。

由公式（6）得，

当I0=1.00mA，

2 装配与调试

本文按照电路原理图，制作了PCB板，并焊接了电子元器件。为了测量方便、稳定，负载电阻由固定阻值的电阻串联，在PCB板上留出了插头端子，直接把负载电阻引脚插上去即可[6]。焊接完成后，对电路板进行了调试。

3 可控毫安恒流源测试与分析

3.1 测试内容

该电路的原理是通过键盘设置输入镜像电路的Uin，根据公式（6）得出理论电流值，因IR0≈I0，所以把R0作为采样电阻，检测采样电阻两端电压UR0，利用欧姆定律公式（8），得到恒流源输出电流I0。

3.2 测试方法

3.2.1 证明输出恒流1mA

改变负载大小，电流表示数为1mA不变时，可证明输出为恒流1mA。

3.2.2 测出固定电流下的带负载能力

在固定电流下，改变负载大小，电流表示数改变时的电阻值（一般取较小值），此电阻值即为在此电流下的恒流源所能驱动的最大负载。

3.2.3 恒流源的精度

从两个方面测量，一是受负载影响，二是受周围电路干扰[7]。即通过按键设置输入电压Uin=15v时，负载RL在一定范围内变化，观察电流的波动；当输入电压Uin=0V时，检测I0，观察电流的波动。由于上述测量有相互限制，所以开始时应反复测量。

3.2.4 稳定直流电源的纹波系数

一般由交流电源经整流稳压等环节而形成的直流稳定电源，不可避免地在直流稳定量中带有一些交流成分，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波，而纹波系数的大小衡量着一个稳定电源的稳定度[8]。

3.3 测试具体操作

3.3.1 电流固定，改变负载，记录电流表示数

表1 测试数据Table 1 Test Data

以I0=1mA为例，取RL=1Ω时，通过按键设置输入电压Uin=15V时，调节负载RL观察电流表示数（见表1）。固定I0=1mA时，调节负载 RL，多次反复侧量最大电阻值为RL=12KΩ，如图6和图7所示。

图6 RL取0-12KΩ时，电流的波动Fig.6 RL take 0-12KΩ, the current fluctuations

图7 RL取0-10Ω时，电流的波动Fig.7 RL take 0-10Ω, the current fluctuations

3.3.2 电流固定，改变负载，记录纹波峰峰值

安全气囊工作电阻一般在2～3Ω范围内，因此取1～10Ω负载电阻作为采样。调节负载，记录不同负载下的纹波峰峰值，如图8所示。

图8 不同负载下纹波波形Fig. 8 ripple waveforms under different load

纹波系数按公式（9）计算，不同负载情况下的最大纹波系数如图9所示。

式中：

δU--纹波系数；

UO--波峰有效值；UP--基准电压。

图9 纹波系数波动图Fig.9 ripple coefficient

3.4 数据分析

由表1可知，该恒流源系统可以实现恒流输出，电流越大，带负载能力越弱，运用此恒流源时应注意其带负载范围。

由图6和图7可得其具有恒流特性，因受环境、地点及器件本身的影响，电流有一定的波动。当输入电压 Uin=0V时，电流表示数显示0.31mA误差，通过程序算法消除零点误差。由图 9可见，1mA以上其电流波动量最大为 IMAX=1 .0323-1=0.0323mA，其精度为 0.0323÷1×100%=3.23%，满足对低于精度5%的要求。由图 9可得，该直流恒流源的最大纹波系数为 0.00032%，满足低于对纹波系数 0.001%的要求。

4 结论

综上所述，本直流恒流源电流最大误差为 3.23%，满足5%以内的要求；最大纹波系数为0.00032%，满足低于0.001%的要求。本恒流源具有稳流精度高，纹波系数小，结构简单，操作方便等特点，这对应用于汽车 DAB工作电阻的检测具有很大的现实意义。

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Milliamperes controllable constant current source design

Yu Baojun, Sun Lunjie, Bian Yahui, Liu Jing, Yu Wenhan
( 1.Changchun University Of Technology, Jilin Changchun130012; 2.Shandong Xiehe University, Shandong Jinan250107 )

In the detection of the working resistance of the airbag, in order to make the work can be safe and efficient, in this paper, a high precision and controlled current source is designed. The constant current source consists of two parts,respectively is the constant current source control module and power module. In this paper, the mirror power circuit is used as a constant current source control module, the precision resistor Ro is used as the sampling resistance. The Ro output voltage through AD chip is feedback to the control system, and then through the output current operation program of the DA chip is controlled, and the output current is converted into a voltage, then after adjusting the input amplifier circuit of constant current source voltage control module, the constant current source can be adjusted. Finally, the experimental results show that the maximum error of the DC current source is 3.23%, which meets the requirement of 5%. The maximum ripple factor is 0.00032%, which meets the requirement of 0.001%.

control module; power supply module; power mirror circuit; the current source accuracy; ripple factor

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-51-05

U463.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-51-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.018

于保军（1970-），男，吉林长春，博士，副教授，就职于长春工业大学。研究方向：精密加工与检测技术、机电一体化综合技术。