mosfet恒流源研究

MOSFET恒流源的研究

赵岩，贾振元

(大连理工大学，大连116024)

摘要：介绍了一种可编程双向功率MOSFET恒流源的组成及原理，并通过实际测试，表明其性能良好。

关键词：恒流源；MOSFET；可编程

Study on Characteristic of MOSFET Constant Current Source

Zhao Yan Jia Zhenyuan，

(Dalian University of Technology ,Dalian,116024)

Abstract:The paper introduced the structure and principle of a programmable bidirectional constant-current power based on power MOSFET. The actual test results show that the property of the constant-current power is excellent. Key words:Constant-current; MOSFET; Programmable

0 引言

电压与电流都是基本的物理量，稳定电压源、恒定电流源在仪器仪表、电子设备及高新技术中均占有重要地位。但长期以来，人们更多地致力于对稳压源地研究，相比之下，恒流源的发展相对较慢。恒流源作为稳定电源的一个分支，在近二、三十年间其涉及的范围由传统的稳定磁场、校正电流表等扩展到激光、超导、近代通信和传感技术等新兴科技领域，并展示了广阔的应用前景。同时，随着现代微电子技术的发展，构成恒流源的核心器件也由早期的电真空结构的镇流管跨入到半导体三极管、场效应管；控制方式也由手动模拟调节发展为内置微处理器的可编程控制方式。本文介绍一种功率放大器件采用功率MOSFET的可编程双向恒流源。

1 电路组成原理

根据超磁致伸缩材料的驱动特性及超磁致伸缩微位移执行器驱动磁路的特点，决定了其驱动电源应具有如下特点：

(1) 驱动电源应是一个在较大范围内连续可调的双向恒流源，使驱动线圈产生正、负方向可变的磁场，并与偏置磁场叠加构成超磁致伸缩材料的驱动磁场；

(2) 由于超磁致伸缩材料及其执行器主要应用于精密、超精密驱动等技术领域，所以，驱动电源的稳流特性和线性度要好，稳定性要高，其输出的纹波电流也应控制在很小的范围

恒流源的总体工作原理是：单片机通过读取键盘的设定值来调用相对应的程序，并将相应的输出电流的数字量经光电耦合送入D/A转换器转换为-5V~+5V的电压信号，功率放大部分再将其放大为-3A~+3A电流信号。

本恒流源还可通过串行口实现与微机的RS-232串口通讯，实现与上位微机之间的数据交换和微机控制。

2 硬件电路设计

2.1 数字电路部分

数字电路部分的设计采用了模块化设计思想。由于各模块之间相互独立，因而减少了相互干扰的机会，从而极大地提高了系统的可靠性。下面详细介绍各部分的组成。

单片机选用了ATMEL公司生产的MCS-51系列的八位单片机AT89C51，AT89C51是一种低功耗，高性能的8位CMOS微处理芯片，片内带有4K字节的闪速可编程及可擦除存储器（PEROM）。

在本系统中，使用了EDM12232A做为显示器。EDM12232A为全屏幕图形点阵式液晶显示组件，由控制驱动器和全点阵液晶显示器组成，使用起来十分灵活方便。键盘输入采用了独立式按键接口，各键之间相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，查询速度快。

D/A转换器是数字电路部分的核心器件之一，其位数决定了系统的分辨率。根据系统的要求，D/A转换芯片选用12位的无数据输入锁存器的AD7521，并采用了两级缓冲的结构，以减小输出毛刺。为了防止模拟电路部分产生的大电流对单片机系统产生的干扰，在D/A 转换芯片与单片机之间加入了光电耦合器件TLP-521，实现了数字地与模拟地的相互隔离。

由于单片机的串行口与微机的串行口分别采用TTL和CMOS电平，因此选用了MAXIM 公司生产的MAX232芯片做为中间转换器；为了增加恒流源系统的可靠性，本系统在开发时还选用了可编程看门狗芯片—X25045，它可以对单片机系统和电源电压实时监控，同时其内部还有512×8位串行E2PROM。

率的作用，V CC 为线圈L1提供驱动所需能量。针对±3A 范围内的电源设计，选用IRF620和IRF9620的MOSFET 管，这种型号的两个互补MOSFET，在电流最大偏差处(±3A)，其开启电压温漂达到最小，从而保证了高的线性度和温度精度。在电阻两端接入电容进行超前补偿。为了为防止接通和关闭电源瞬间负载线圈所产生的感生电动势对功率MOSFET 管造成的冲击,因此,在超磁致伸缩执行器驱动电源的实际电路中接入了阻容吸收回路。由图3所示，设负载线圈和谐振电容之路的等效阻抗分别为：L j R Z L L ω+=（L R 为线圈内阻）C c R c j Z +=−1)(ω， 0I 为线圈电流，

i L C C o U LC

R R C j C jR R R R R R R R I &&29454323)(111ωωω−+++++= 当ω=0时，选取合适的阻值，使：

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454323=++R R R R R R R 则当输入电压U i 从-3.5V 到+3.5V 变化时，输出电流I o 将从-3.5A 到+3.5A 连续变化，为了减小输出电流的纹波，正、负24V 电源选用朝阳市电源有限公司生产的4NIC-X384型集成一体化线性电源，它最大可输出8A 的电流。在元件选择上，R1~R4选用千分之一精度的精密电阻，取样电阻R9选用温度稳定性好的无感线绕电阻，为减小在R9上的耗散功率，在保证电路稳定的情况下，R9的值尽量取得小一些，具体个参数见表1： 参数 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9

数值 100 300 200 1 300 5.1k 5.1k 4.67

1

3 恒流源仿真

3.1时域频域特性

电源的相位裕度为20dB ，幅值裕度为57º，具有良好的稳定性；-3dB 内带宽为1kHZ ，阶跃响应为3.9ms ，能够满足机械系统的控制和应用要求，超调量为0.667％，只要使电流变化小于450mA ，即控制单次进给小于6.5μm ，就能保持恒流源的动态精度。图4、图5为稳定性和阶跃响应特性仿真的输出结果。

图6为恒流源并联不同的谐振电容值时，在不同频率的输入电压信号t U m ωsin （3=m U V）作用下，输出电流的幅频响应曲线，图中曲线谐振电容值从右向左为1nF 到1F 成10倍递减,中间有谐振峰值的三条曲线从右向左谐振电容值依次为10uF、100uF、1mF。