晶體管/場效應(yīng)管/集成運放恒流源電路設(shè)計

LED電源的工程師經(jīng)常提及“恒流”驅(qū)動，其實，在很多電子設(shè)備中，有許多用電設(shè)備要求供給的電流(而不是電壓)保持恒定。一般把這種能夠向負載提供恒定電流的電源稱為恒流源。所謂恒流，是一種習(xí)慣說法，并不是電流值絕對不變，只是這種變化相對的小而已，在一個規(guī)定的工作范圍內(nèi)保持足夠的穩(wěn)定性。

經(jīng)常有人問起，看到LED驅(qū)動電源，不知道是恒壓源還是恒流源類型的。講正題之前，先在這里給大家講一個很實用的區(qū)分小技巧：看到一個LED驅(qū)動電源，先看電源的名牌參數(shù)。看輸出電壓這個關(guān)鍵參數(shù)：若它的電壓標(biāo)稱是一個恒定值，則是恒壓源。如果是一個范圍值，則是恒流源。比如：有一個電源它的輸出電壓是12V，就確定這個是恒壓源，如果它標(biāo)稱的是30～70V呢，那就一個恒流源。

恒流源是LED電路中經(jīng)常使用的，今天把比較常見的恒流源的基本結(jié)構(gòu)和特點整理一下，奉獻給eepw論壇的網(wǎng)友們分享。當(dāng)然，真正的恒流源電源都用的是這些結(jié)構(gòu)的拓展和變換類型，或者集成IC的形式。

基本的恒流源電路，這里依據(jù)主要組成器件的不同，可分為三類：晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成運放恒流源等。

一、 晶體管恒流源

這類恒流源以晶體三極管為主要組成器件，利用晶體三極管集電極電壓變化對電流影響小，并在電路中采用電流負反饋來提高輸出電流之恒定性，通常，還采用一定的溫度補償和穩(wěn)壓措施。其基本型電路如圖1的A，B兩種類型。

圖1 晶體管恒流源的兩種基本類型

如圖1中的A圖， R1、R2分壓穩(wěn)定b點電位為Vb，Re形成電流負反饋 ,輸出電流IO=(Vb-Vbe)/Re≈Vb / Re (Vb >>Vbe)。B圖的計算參考A圖。

提示1：

圖1中的電路的不足就是晶體管的集射極間電阻一般為幾十千歐以上，當(dāng)只需幾伏的工作電壓，采用這種恒流源電路 ,其等效內(nèi)阻是非常大，功耗大，且精度不高。

實際電路中，最常用的簡易恒流源如圖2所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，電流數(shù)值為：I=Vbe/R1。

圖2 晶體管恒流源的改進型

提示2：

圖2的這種恒流源優(yōu)點是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點是不同型號的管子，其be 電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。

二、場效應(yīng)管恒流源

由場效應(yīng)晶體管作為主要組成器件的恒流電路如圖3所示

圖3 場效應(yīng)管恒流源

圖3A ,R1,R2分壓穩(wěn)定b點電位 , Vb =R2*VCC(R1+R2)，而 Vgs=Vb-Id*RS

Id=Idss( 1- Vgs*Vp)*2

式中Vp表示為夾斷電壓 ，Idss為飽和漏極電流。也可以去掉電源輔助回路 ,變成一純兩端網(wǎng)絡(luò) ,電路如圖3 B所示 ,由圖可得Vgs =- Id*RS

提示3：

這種恒流源電路的場效應(yīng)管為JEFT，超低噪聲，輸出電流有JEFT決定，檢測電壓與JEFT有關(guān)。

三、集成運放恒流源

為了能夠精確輸出電流，通常使用一個運放作為反饋，同時使用場效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。典型的運放恒流源如圖4所示，如果電流不需要特別精確，其中的場效應(yīng)管也可以用三極管代替如圖4B。

如圖4B中，工作時，輸入電壓Vref與輸出電流成比例的檢測電壓，Vs(Vs=Rs*Iout)相等，

Is=Ib+Iout=Iout(1+1/Hfe)其中1/Hfe為誤差。

圖4 集成運放恒流源

提示4：

這個電路可以認為是恒流源的標(biāo)準(zhǔn)電路，除了足夠的精度和可調(diào)性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調(diào)試。只不過其中的Vin還需要用戶額外提供。

從以上兩個電路可以看出，恒流源有個定式，就是利用一個電壓基準(zhǔn)，在電阻上形成固定電流。有了這個定式，恒流源的搭建就可以擴展到所有可以提供這個"電壓基準(zhǔn)"的器件上，最典型的就是利用TL431組成的恒流源電路。

TL431是另外一個常用的電壓基準(zhǔn)，利用TL431搭建的恒流源如圖5所示，其中的三極管替換為場效應(yīng)管可以得到更好的精度。

圖5 利用TL431搭建的恒流源

電流計算公式為：Iout=Vref/Rs，檢測電壓根據(jù)Vref不同，即1.25V或者是2.5V不同而已。

提示5：

這種恒流源電路，使用并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431，簡單實用且精度高。

有經(jīng)驗的模擬電路工程師經(jīng)常會用三端穩(wěn)壓IC做恒流源，使用這些三端穩(wěn)壓電源IC，本身精度已經(jīng)很高，需要的維持電流也很小。利用三端穩(wěn)壓構(gòu)成恒流源，也有非常好的性價比，如圖5所示的LM317的兩種類型。

圖6 LM317組成的恒流源電路

電流計算公式為：I=V/R1，其中V是三端穩(wěn)壓的穩(wěn)壓數(shù)值。

提示6：

這種結(jié)構(gòu)的恒流源，不適合太小的電流，因為這個時候，三端穩(wěn)壓自身的維持電流會導(dǎo)致較大的誤差。

總結(jié)：

恒流源的實質(zhì)是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定。只要能夠得到電流，就可以有效形成反饋，從而建立恒流源。

能夠進行電流反饋的器件，還有電流互感器，或者利用霍爾元件對電流回路上某些器件的磁場進行反饋，也可以利用回路上的發(fā)光器件(例如光電耦合器，發(fā)光 管等)進行反饋。這些方式都能夠構(gòu)成有效的恒流源，而且更適合大電流等特殊場合，不過因為這些實現(xiàn)形式的電路都比較復(fù)雜，這里就不一一介紹了。

審核編輯：湯梓紅