技术领域
[0001] 本实用新型涉及仪器仪表和
电子测量领域，尤其是一种具有开启电压预处理功能的数控恒流源装置，可广泛应用于
开关电源、线性电源、电子负载和直流
电阻测量等仪器仪表或设备中。
背景技术
[0002] 数控恒流源是一种常用的电子
电路，在电
力电子设备老化、线性电源、
开关电源、电子负载、过流检测等场合中广泛应用。
[0003] 常见的数控恒流源如
附图1所示，以
运算放大器为核心的电路组成了一个深度
负反馈，采用大功率N
沟道增强型绝缘栅场效应管作为
电流转换元件以满足大电流输出的要求；附图2为N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线，根据附图2可知，由于开启电压UGS(th)的存在，只有栅极-源极之间的电压高于UGS(th)时，场效应管才能起到控制漏极电流大小的作用。由于开启电压UGS(th)的存在，电路开启初始的一段时间
运算放大器输出电流对场效应管电容充电的作用，这部分
能量仅仅在于克服场效应管的转移特性曲线中开启电压UGS(th)的影响，导致场效应管导通速度慢，场效应管驱动电路的驱动效率较低，特别的降低大功率恒流源的动态响应性能。实用新型内容
[0004] 本实用新型要解决的技术问题是：提出一种具有开启电压预处理功能的数控恒流源装置，通过增加针对大功率N沟道场效应管开启电压的预处理措施，适当提高大功率N沟道场效应管的初始栅极电压，从而起到加快场效应管的导通速度的作用，于是既可以提高场效应管驱动电路的驱动效率，又可以改善大功率数控恒流源的动态响应性能，具有良好的应用前景。
[0005] 本实用新型所采用的技术方案为：一种具有开启电压预处理功能的数控恒流源装置，包括
微处理器单元MCU、控制单元FPGA、
数模转换单元DAC1、数模转换单元DAC2、同相比例放大器单元、反相比例放大器单元、误差放大器单元、扩流电路单元、开启电压设置单元、差分电路单元、功率场效应管单元、电压源VCC、量程电阻和负载。微处理器单元MCU连接到控制单元FPGA，控制单元FPGA连接到数模转换单元DAC1和数模转换单元DAC2；数模转换单元DAC1连接到同相比例放大器单元，同相比例放大器单元连接到误差放大器单元，误差放大器单元连接到扩流电路单元的输入端，扩流电路单元的输出端连接到场效应功率管的栅极，场效应功率管的漏接连接电压源VCC，场效应管的源极连接到量程电阻Rs的一端，量程电阻Rs的另一端连接到负载RL，负载RL的另一端接地，
差分放大器单元的同相输入端连接量程电阻Rs的一端和场效应管的源极，误差放大器的
反相输入端与量程电阻Rs的另一端和负载RL的一端相连接，误差放大器单元的输出端连接到误差放大器的另一路输入端；数模转换单元DAC2的输出端连接到同相放大器单元的输入端，同相放大器单元的输出端连接到开启电压设置单元的输入端，开启电压设置单元的输出端连接到误差放大器单元的输出端和扩流电路单元的输入端。
[0006] 进一步的说，本实用新型所述的微处理器单元MCU与控制单元FPGA相连，实现微处理器单元与FPGA单元之间的通讯；其中，所述的微处理器单元与上位机相连，接收上位机发出的控制指令。控制单元FPGA通过同步串行通讯总线SPI1连接串行输入数模转换单元DAC1和数模转换单元DAC2，数模转换单元DAC1的输出连接反相比例放大器单元，数模转换单元DAC1和数模转换单元DAC2的
输出电压为都为正电压，实现
数字量到模拟量的转换。
[0007] 再进一步的说，本实用新型数模转换单元DAC1的输出连接到反相比例放大器单元的输入端，反相比例放大器单元的输出端连接到误差放大器单元的一路输入端，作为数控恒流源的输入基准电压；以误差放大器单元为核心，误差放大器单元、扩流电路单元、功率场效应管、量程电阻Rs、误差放大器单元、组成了一个深度负反馈电路；基准电压可调节所述的电流源装置输出电流的强度，所述的一种具有开启电压预处理功能的数控功率恒流源装置属于压控电流源VCCS。
[0008] 再进一步的说，本实用新型数模转换单元DAC2的输出连接到同相比例放大器单元的输入端，同相比例放大器单元的输出端连接到开启电压设置单元的输入端，同相比例放大器单元的输出电压作为开启电压设置单元的参考电压，开启电压设置单元的输出端连接误差放大器单元的输出端和扩流电路单元的输入端，实现对功率场效应管的栅极电压预处理。
[0009] 再进一步的说，本实用新型开启电压设置电路单元需要与误差放大器单元共同工作来实现对场效应管栅极电压的预处理设置；其中，开启电压设置电路单元主要包括：比较器U1、运算放大器U2、+15V
电源电压和-15V电源电压、电阻R1～R10、电容C1～C6、PNP型晶体管Q1、NPN型晶体管Q2、场效应功率管Q3等组成。
[0010] 再进一步的说，本实用新型其特征在于:数模转换单元DAC2的输出连接到比较器U1的反相输出端，+15V电源电压连接到比较器U1的正电源电压输入引脚和电容C1的一端，电容C1的另一端接地，-15V电源电压连接到比较器的接地引脚和电容C2的一端，电容C2的另一端接地，比较器的输出端连接电阻R1的一端；电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电阻R3的一端、电容C5的一端和PNP晶体管的基极，电阻R1的另一端连接+15V电源电压，电阻R2的另一端接地，电容C5的另一端接地，PNP型晶体管Q1的集
电极连接-15V电源电压，PNP型晶体管的发射极连接电阻R4的一端和电阻R5的一端，电阻R4的另一端接地；电阻R5的另一端连接运算放大器U2的反相输入端和电容C6的一端，电容C6的另一端连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运算放大器U2的输出端、NPN型晶体管的基极和比较器U1的同相输入端，运算放大器U2的同相输入端连接平衡电阻R9，平衡电阻R9的另一端接地，运算放大器U2的正电源输入引脚连接+15V电源电压和电容C3的一端，电容C3的另一端接地，运算放大器U2的负电源输入引脚连接-15V电源和电容C3的一端，电容C3的另一端接地；NPN型晶体管Q2的集电极连接+15V电源电压，NPN型晶体管Q2的发射极连接电阻R10的一端和功率场效应管Q3的栅极，电阻R10的另一端接地，功率场效应管Q3的漏极连接电源VCC，功率场效应管Q3的源极连接量程电阻Rs的一端，量程电阻Rs的另一端连接负载RL的一端，负载RL的另一端接地。
[0011] 再进一步的说，本实用新型当比较器U1采用+15V和-15V电源电压，于是当比较器U1的反相输入端电压高于比较器U1同相输入端电压时，比较器U1输出端的电压为-15V电源电压，此-15V电源电压拉低PNP型晶体管Q2的基极电压，使得PNP型晶体管Q2饱和导通，PNP型晶体管Q2的集电极-15V电源电压通过导电沟道连接到电阻R4和电阻R5的一端，以运算放大器U2为核心的电路，其中包括：电阻R5、电阻R8、电阻R9、电容C6、+15V电源电压、-15V电源电压组成一个深度负反馈电路，虚短条件成立，运算放大器U2的同相输入端电位与其反相输入端电位相等，实现虚地。
[0012] 再进一步的说，本实用新型于是当比较器U1的反相输入端电压高于比较器U1同相输入端电压时，-15V电源电压通过电阻R50对电容C6进行充电，导致运算放大器U2输出端电压上升，当运算放大器U2输出端电压高于比较器U2的反相输入端电压时，PNP型晶体管Q2晶体管截止，当运算放大器U2输出端电压停止上升，于是U2运算放大器的输出电压等于开启电路设置单元的输入参考电压，实现对功率场效应管初始栅极电压的设置。
[0013] 再进一步的说，本实用新型功率场效应管的初始电压等于开启电路设置单元的输入参考电压减去NPN型晶体管的基极和发射极之间的结电压，输入参考电压的范围决定了功率场效应管初始栅极电压可预设的范围，可以根据使用条件的不同灵活调整数模转换单元DAC2输入数字量或同相比例放大单元的放大倍数，以适用各种功率场效应管的开启电压不同时的应用要求。
[0014] 本实用新型的有益效果是：通过增加针对大功率N沟道场效应管开启电压的预处理措施，适当提高了功率场效应管的初始栅极电压，由于采用上述的技术解决方案与
现有技术相比，本实用新型的积极效果为：加快了功率场效应管的导通速度，提高了功率场效应管驱动电路的驱动效率，改善了功率数控恒流源的动态响应性能，因此本实用新型具有很大的实用优势；此外，本实用新型还可根据使用条件灵活调整加载在功率场效应管的初始栅极电压，以适用各种不同的功率场效应管应用需要；采用常用的电子元器件实现，器件易于采购，具有良好的应用前景。
附图说明
[0015] 下面结合附图和
实施例对本实用新型进一步说明。
[0016] 图1是传统数控功率恒流源电路图；
[0017] 图2是功率MOSFET管的转移特性曲线和输出特性曲线图；
[0018] 图3是本实用新型的装置结构示意图；
[0019] 图4是本实用新型开启电压设置电路原理简图；
[0020] 图5是本实用新型实施中的数控功率恒流源装置DAC产生电路部分；
[0021] 图6是本实用新型实施中的数控功率恒流源装置恒流源电路部分。
具体实施方式
[0022] 现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
[0023] 如图3所示的一种具有开启电压预处理功能的数控恒流源装置，包括微处理器单元MCU、控制单元FPGA、数模转换单元DAC1、数模转换单元DAC2、同相比例放大器单元、反相比例放大器单元、误差放大器单元、扩流电路单元、开启电压设置单元、差分电路单元、功率场效应管单元、电压源VCC、量程电阻和负载。微处理器单元MCU连接到控制单元FPGA，控制单元FPGA连接到数模转换单元DAC1和数模转换单元DAC2；数模转换单元DAC1连接到同相比例放大器单元，同相比例放大器单元连接到误差放大器单元，误差放大器单元连接到扩流电路单元的输入端，扩流电路单元的输出端连接到场效应功率管的栅极，场效应功率管的漏接连接电压源VCC，场效应管的源极连接到量程电阻Rs的一端，量程电阻Rs的另一端连接到负载RL，负载RL的另一端接地，差分放大器单元的同相输入端连接量程电阻Rs的一端和场效应管的源极，误差放大器的反相输入端与量程电阻Rs的另一端和负载RL的一端相连接，误差放大器单元的输出端连接到误差放大器的另一路输入端；数模转换单元DAC2的输出端连接到同相放大器单元的输入端，同相放大器单元的输出端连接到开启电压设置单元的输入端，开启电压设置单元的输出端连接到误差放大器单元的输出端和扩流电路单元的输入端。
[0024] 工作原理和过程如下：
[0025] 结合附图4，计算和推导：
[0026] 微处理器单元MCU接收来自上位机的关于数字量大小的控制指令，通过并行或串行
数据总线连接控制单元FPGA实现对数模转换单元DAC1和数模转换单元DAC2的数字量设置，数模转换单元工作的单极性模式，将接收到的数字量转换为正电压。
[0027] 设数模转换单元DAC1接收到的数字控制量为D1，数模转换单元DAC1接收到的数字控制量为D2，VREF为数模转换单元的基准电压，N为数模转换单元的
分辨率，[0028] 设数模转换单元DAC1的输出电压VOUT1为：
[0029]
[0030] 设数模转换单元DAC1的输出电压VOUT2为：
[0031]
[0032] 设反相比例放大单元的放大倍数为-K1,则其输出电压VOUT3为：
[0033]
[0034] 设同相比例放大单元的放大倍数为K2,则其输出电压VOUT4为：
[0035]
[0036] 结合附图4所示，开启电压设置过程如下：
[0037] 设输出电压VOUT4即为开启电压设置单元的输入参考电压Uth_REF，
[0038]
[0039] 设运算放大器U2的输出电压为Uth_SET，比较器U1的输出电压为U1OUT，[0040] 晶体管Q1基极电位为Ub，晶体管Q1发射极电位为Ue，
[0041] 当Uth_SET
[0042]
[0043] 其中，R1＝24k，R2＝51k，R3＝10k，代入(6)得：
[0044] Ub＝-2.34V.......(7)
[0045] 进一步，Ueb＝Ue-Ub＝2.34V......(8)
[0046] 晶体管Q1导通，有电流Ie从Q1的发射极流到集电极，此时晶体管Q1发射极电位：Ue＝0-Ie×R4<0
[0047] 设流过电阻R5的电流为iR，流过电容C6的电流为iC，以运算放大器U2为核心的电路组成一个深度负反馈，虚短成立；进一步，运算放大器U2的同相输入端通过电阻R9接地，所以电容C6的电流为ic为“虚地”；
[0048] 电路中，流过电阻R5的电流iR等于电容C6中的电流为iC：
[0049]
[0050] 从时间t1到时间t2时间段，运算放大器U2的输出电压为Uth_SET：
[0051]
[0052] 由(10)式，可知运算放大器U2的输出电压Uth_SET随着时间而升高，即场效应管栅极电压Ugs＝Uth_SET-Vbe初始电压随着时间升高。
[0053] 当Uth_SET>Uth_REF时，比较器U1的输出端集电极开路相当于高阻态，于是[0054]
[0055] 因为Ueb＝Ue-Ub<0，所以晶体管Q1截止，Ue＝0
[0056] 由式(9)可知： 即此时电容C6停止充电，运算放大器U2的输出电压停止上升。
[0057] 综上所述，稳态时，运算放大器的输出电压等于开启电压设置单元的输入参考电压，
[0058] 即
[0059] 于是，由式(12)可知，上述开启电压设置电路实现了对功率场效应管的栅极电压的设置。
[0060] 开启电压设置电路旨在对功率场效应管的初始栅极电压进行设置，以
加速其导通速度，改善其动态响应性能，所以在具体应用时，需要事先通过功率场效应管数据手册获取其开启电压参数Uth(on)，开启电路设置的参考电压需要满足条件：Uth_REF
[0063] 以UA301A为核心的电路组成了一个深度负反馈，在运算放大器UA301的2号引脚和3引脚之间形成虚短，UA301的3号引脚通过电阻RA311接地，则UA301的2号引脚和3引脚的电位等于零，为“虚地”。
[0064] 设Ri＝RA306//RA307，Rf＝RA313+RA393，Rs＝RA324， 输出电流为Iout，则根据虚短和虚断，电路平衡时，流过电阻Ri的电流等于流过电阻Rf的电流，[0065]
[0066] 即
[0067] 于是，
[0068]
[0069] 设 将K4代入式(16)可得，
[0070]
[0071] 由式(17)可知：输出电流的大小正比于输入数字量的小，合理搭配参数，可实现数控恒流源。
[0072] 电路见附图5和附图6所示：
[0073] UA101为超低噪声基准电压芯片、输入为+15V电源电压，输出为2.50V参考电压，电容CA102电容CA104为UA101的输入旁路电容，电容CA103、电容CA104、CA105电容为UA101的输出旁路电容；电压基准
精度越高越好，温漂越小越好。
[0074] UA102和UA104为串行16位DAC芯片AD5541CRZ，+5VD是电源电压，VREF2V5是2.50V输入电压基准。nCS1、nCS2、DIN1、SCLK1
信号来自控制单元FPGA，其中，nCS1、nCS2为片选信号DIN1信号为串行数据，SCLK1为20MHz
时钟信号，UA101和UA102为单极性输出，输出电压范围为0至2.50V。
[0075] UA105、UA301为高精度、低噪声、低失调电流双运算放大器芯片，带宽为10MHz，上升速度为4V每微秒。
[0076] UA105A、电阻RA104、电阻RA105和电阻RA106组成反相比例放大电路，放大倍数为-3倍，Ui_REF的电压范围为-7.5V到0；UA105B、电阻RA107、电阻RA108和电阻RA109组成同相比例放大器，放大倍数为4倍，电阻RA339和电阻RA340为电阻衰减网络，将同相比例放大器的输出电压衰减为原来的二分之一，Uth_REF的电压范围为0到5V。可以通过调节比例电阻，灵活改变Ui_REF和Uth_REF的范围，以适用于使用条件的需要。
[0077] UA301、电容CA310、电容CA306、电阻RA306、电阻RA307、电容CA303、电阻RA304、电阻RA331、电阻RA382、晶体管QA303、电阻RA314、功率场效应管QB305、电阻RA324、电阻RA322、电阻RA326、电阻RA328、电阻RA332、电阻RA313、电容CA311、电阻RA321、电阻RB331、+15V和-15V组成数控恒流源，其中RA324为大功率精密无感电阻，阻值为0.1欧姆、额定功率为3W，精度为1％，温漂为20ppm，电流的精度取决于RA324，输出电流大小为0到3A。
[0078] UB305为比较器芯片LM393，采用双电源+15V和-15V为UB305比较器供电，输入电压Uth_REF、UB305、UA301A、+15V和-15V电源电压、电阻RB337、电容CA319、电阻RB335、电阻RB339、晶体管QB301、电容CB317、电阻RB331、电阻RA321、电容CA303、电阻RA304、电阻RA382、晶体管QA303、电阻RA314、电阻RA311组成开启电压设置电路，当UA301A的1号引脚输出电压小于Uth_REF时，晶体管QB301上午BE结导通，电流从发射极流到集电极，其发射极电压为负，电容CA303充电导致UA301的1号引脚电压升高，当电压升高到大于Uth_REF时，比较器输出端集电极开路，导致晶体管BE结截止，晶体管QB301的发射极接地，电容CA303立即停止充电，所以UA301的1号引脚输出电压等于Uth_REF，功率场效应管的栅极电压为Uth_REF减去晶体管QA301的BE结电压，实现对功率场效应管栅极电压的预处理。
[0079] 以上
说明书中描述的只是本实用新型的具体实施方式，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做
修改或
变形，而不背离实用新型的实质和范围。
