本發(fā)明涉及儀器儀表和電子測量領(lǐng)域，尤其是一種具有開啟電壓預(yù)處理功能的數(shù)控恒流源裝置，可廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、線性電源、電子負(fù)載和直流電阻測量等儀器儀表或設(shè)備中。

背景技術(shù)：

數(shù)控恒流源是一種常用的電子電路，在電力電子設(shè)備老化、線性電源、開關(guān)電源、電子負(fù)載、過流檢測等場合中廣泛應(yīng)用。

常見的數(shù)控恒流源如附圖1所示，以運算放大器為核心的電路組成了一個深度負(fù)反饋，采用大功率n溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管作為電流轉(zhuǎn)換元件以滿足大電流輸出的要求；附圖2為n溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，根據(jù)附圖2可知，由于開啟電壓ugs(th)的存在，只有柵極-源極之間的電壓高于ugs(th)時，場效應(yīng)管才能起到控制漏極電流大小的作用。由于開啟電壓ugs(th)的存在，電路開啟初始的一段時間運算放大器輸出電流對場效應(yīng)管電容充電的作用，這部分能量僅僅在于克服場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線中開啟電壓ugs(th)的影響，導(dǎo)致場效應(yīng)管導(dǎo)通速度慢，場效應(yīng)管驅(qū)動電路的驅(qū)動效率較低，特別的降低大功率恒流源的動態(tài)響應(yīng)性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種具有開啟電壓預(yù)處理功能的數(shù)控恒流源裝置，通過增加針對大功率n溝道場效應(yīng)管開啟電壓的預(yù)處理措施，適當(dāng)提高大功率n溝道場效應(yīng)管的初始柵極電壓，從而起到加快場效應(yīng)管的導(dǎo)通速度的作用，于是既可以提高場效應(yīng)管驅(qū)動電路的驅(qū)動效率，又可以改善大功率數(shù)控恒流源的動態(tài)響應(yīng)性能，具有良好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種具有開啟電壓預(yù)處理功能的數(shù)控恒流源裝置，包括微處理器單元mcu、控制單元fpga、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2、同相比例放大器單元、反相比例放大器單元、誤差放大器單元、擴流電路單元、開啟電壓設(shè)置單元、差分電路單元、功率場效應(yīng)管單元、電壓源vcc、量程電阻和負(fù)載。微處理器單元mcu連接到控制單元fpga，控制單元fpga連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1連接到同相比例放大器單元，同相比例放大器單元連接到誤差放大器單元，誤差放大器單元連接到擴流電路單元的輸入端，擴流電路單元的輸出端連接到場效應(yīng)功率管的柵極，場效應(yīng)功率管的漏接連接電壓源vcc，場效應(yīng)管的源極連接到量程電阻rs的一端，量程電阻rs的另一端連接到負(fù)載rl，負(fù)載rl的另一端接地，差分放大器單元的同相輸入端連接量程電阻rs的一端和場效應(yīng)管的源極，誤差放大器的反相輸入端與量程電阻rs的另一端和負(fù)載rl的一端相連接，誤差放大器單元的輸出端連接到誤差放大器的另一路輸入端；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2的輸出端連接到同相放大器單元的輸入端，同相放大器單元的輸出端連接到開啟電壓設(shè)置單元的輸入端，開啟電壓設(shè)置單元的輸出端連接到誤差放大器單元的輸出端和擴流電路單元的輸入端。

進(jìn)一步的說，本發(fā)明所述的微處理器單元mcu與控制單元fpga相連，實現(xiàn)微處理器單元與fpga單元之間的通訊；其中，所述的微處理器單元與上位機相連，接收上位機發(fā)出的控制指令?？刂茊卧猣pga通過同步串行通訊總線spi1連接串行輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1的輸出連接反相比例放大器單元，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2的輸出電壓為都為正電壓，實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1的輸出連接到反相比例放大器單元的輸入端，反相比例放大器單元的輸出端連接到誤差放大器單元的一路輸入端，作為數(shù)控恒流源的輸入基準(zhǔn)電壓；以誤差放大器單元為核心，誤差放大器單元、擴流電路單元、功率場效應(yīng)管、量程電阻rs、誤差放大器單元、組成了一個深度負(fù)反饋電路；基準(zhǔn)電壓可調(diào)節(jié)所述的電流源裝置輸出電流的強度，所述的一種具有開啟電壓預(yù)處理功能的數(shù)控功率恒流源裝置屬于壓控電流源vccs。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2的輸出連接到同相比例放大器單元的輸入端，同相比例放大器單元的輸出端連接到開啟電壓設(shè)置單元的輸入端，同相比例放大器單元的輸出電壓作為開啟電壓設(shè)置單元的參考電壓，開啟電壓設(shè)置單元的輸出端連接誤差放大器單元的輸出端和擴流電路單元的輸入端，實現(xiàn)對功率場效應(yīng)管的柵極電壓預(yù)處理。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明開啟電壓設(shè)置電路單元需要與誤差放大器單元共同工作來實現(xiàn)對場效應(yīng)管柵極電壓的預(yù)處理設(shè)置；其中，開啟電壓設(shè)置電路單元主要包括：比較器u1、運算放大器u2、+15v電源電壓和-15v電源電壓、電阻r1～r10、電容c1～c6、pnp型晶體管q1、npn型晶體管q2、場效應(yīng)功率管q3等組成。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明其特征在于:數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2的輸出連接到比較器u1的反相輸出端，+15v電源電壓連接到比較器u1的正電源電壓輸入引腳和電容c1的一端，電容c1的另一端接地，-15v電源電壓連接到比較器的接地引腳和電容c2的一端，電容c2的另一端接地，比較器的輸出端連接電阻r1的一端；電阻r1的另一端與電阻r2的一端、電阻r3的一端、電容c5的一端和pnp晶體管的基極，電阻r1的另一端連接+15v電源電壓，電阻r2的另一端接地，電容c5的另一端接地，pnp型晶體管q1的集電極連接-15v電源電壓，pnp型晶體管的發(fā)射極連接電阻r4的一端和電阻r5的一端，電阻r4的另一端接地；電阻r5的另一端連接運算放大器u2的反相輸入端和電容c6的一端，電容c6的另一端連接電阻r8的一端，電阻r8的另一端連接運算放大器u2的輸出端、npn型晶體管的基極和比較器u1的同相輸入端，運算放大器u2的同相輸入端連接平衡電阻r9，平衡電阻r9的另一端接地，運算放大器u2的正電源輸入引腳連接+15v電源電壓和電容c3的一端，電容c3的另一端接地，運算放大器u2的負(fù)電源輸入引腳連接-15v電源和電容c3的一端，電容c3的另一端接地；npn型晶體管q2的集電極連接+15v電源電壓，npn型晶體管q2的發(fā)射極連接電阻r10的一端和功率場效應(yīng)管q3的柵極，電阻r10的另一端接地，功率場效應(yīng)管q3的漏極連接電源vcc，功率場效應(yīng)管q3的源極連接量程電阻rs的一端，量程電阻rs的另一端連接負(fù)載rl的一端，負(fù)載rl的另一端接地。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明當(dāng)比較器u1采用+15v和-15v電源電壓，于是當(dāng)比較器u1的反相輸入端電壓高于比較器u1同相輸入端電壓時，比較器u1輸出端的電壓為-15v電源電壓，此-15v電源電壓拉低pnp型晶體管q2的基極電壓，使得pnp型晶體管q2飽和導(dǎo)通，pnp型晶體管q2的集電極-15v電源電壓通過導(dǎo)電溝道連接到電阻r4和電阻r5的一端，以運算放大器u2為核心的電路，其中包括：電阻r5、電阻r8、電阻r9、電容c6、+15v電源電壓、-15v電源電壓組成一個深度負(fù)反饋電路，虛短條件成立，運算放大器u2的同相輸入端電位與其反相輸入端電位相等，實現(xiàn)虛地。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明于是當(dāng)比較器u1的反相輸入端電壓高于比較器u1同相輸入端電壓時，-15v電源電壓通過電阻r50對電容c6進(jìn)行充電，導(dǎo)致運算放大器u2輸出端電壓上升，當(dāng)運算放大器u2輸出端電壓高于比較器u2的反相輸入端電壓時，pnp型晶體管q2晶體管截止，當(dāng)運算放大器u2輸出端電壓停止上升，于是u2運算放大器的輸出電壓等于開啟電路設(shè)置單元的輸入?yún)⒖茧妷?，實現(xiàn)對功率場效應(yīng)管初始柵極電壓的設(shè)置。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明功率場效應(yīng)管的初始電壓等于開啟電路設(shè)置單元的輸入?yún)⒖茧妷簻p去npn型晶體管的基極和發(fā)射極之間的結(jié)電壓，輸入?yún)⒖茧妷旱姆秶鷽Q定了功率場效應(yīng)管初始柵極電壓可預(yù)設(shè)的范圍，可以根據(jù)使用條件的不同靈活調(diào)整數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2輸入數(shù)字量或同相比例放大單元的放大倍數(shù)，以適用各種功率場效應(yīng)管的開啟電壓不同時的應(yīng)用要求。

本發(fā)明的有益效果是：通過增加針對大功率n溝道場效應(yīng)管開啟電壓的預(yù)處理措施，適當(dāng)提高了功率場效應(yīng)管的初始柵極電壓，由于采用上述的技術(shù)解決方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：加快了功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通速度，提高了功率場效應(yīng)管驅(qū)動電路的驅(qū)動效率，改善了功率數(shù)控恒流源的動態(tài)響應(yīng)性能，因此本發(fā)明具有很大的實用優(yōu)勢；此外，本發(fā)明還可根據(jù)使用條件靈活調(diào)整加載在功率場效應(yīng)管的初始柵極電壓，以適用各種不同的功率場效應(yīng)管應(yīng)用需要；采用常用的電子元器件實現(xiàn)，器件易于采購，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是傳統(tǒng)數(shù)控功率恒流源電路圖；

圖2是功率mosfet管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線圖；

圖3是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明開啟電壓設(shè)置電路原理簡圖；

圖5是本發(fā)明實施中的數(shù)控功率恒流源裝置dac產(chǎn)生電路部分；

圖6是本發(fā)明實施中的數(shù)控功率恒流源裝置恒流源電路部分。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖3所示的一種具有開啟電壓預(yù)處理功能的數(shù)控恒流源裝置，包括微處理器單元mcu、控制單元fpga、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2、同相比例放大器單元、反相比例放大器單元、誤差放大器單元、擴流電路單元、開啟電壓設(shè)置單元、差分電路單元、功率場效應(yīng)管單元、電壓源vcc、量程電阻和負(fù)載。微處理器單元mcu連接到控制單元fpga，控制單元fpga連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1連接到同相比例放大器單元，同相比例放大器單元連接到誤差放大器單元，誤差放大器單元連接到擴流電路單元的輸入端，擴流電路單元的輸出端連接到場效應(yīng)功率管的柵極，場效應(yīng)功率管的漏接連接電壓源vcc，場效應(yīng)管的源極連接到量程電阻rs的一端，量程電阻rs的另一端連接到負(fù)載rl，負(fù)載rl的另一端接地，差分放大器單元的同相輸入端連接量程電阻rs的一端和場效應(yīng)管的源極，誤差放大器的反相輸入端與量程電阻rs的另一端和負(fù)載rl的一端相連接，誤差放大器單元的輸出端連接到誤差放大器的另一路輸入端；數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2的輸出端連接到同相放大器單元的輸入端，同相放大器單元的輸出端連接到開啟電壓設(shè)置單元的輸入端，開啟電壓設(shè)置單元的輸出端連接到誤差放大器單元的輸出端和擴流電路單元的輸入端。

工作原理和過程如下：

結(jié)合附圖4，計算和推導(dǎo)：

微處理器單元mcu接收來自上位機的關(guān)于數(shù)字量大小的控制指令，通過并行或串行數(shù)據(jù)總線連接控制單元fpga實現(xiàn)對數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac2的數(shù)字量設(shè)置，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作的單極性模式，將接收到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為正電壓。

設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1接收到的數(shù)字控制量為d1，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1接收到的數(shù)字控制量為d2，vref為數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的基準(zhǔn)電壓，n為數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的分辨率，

設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1的輸出電壓vout1為：

設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元dac1的輸出電壓vout2為：

設(shè)反相比例放大單元的放大倍數(shù)為-k1,則其輸出電壓vout3為：

設(shè)同相比例放大單元的放大倍數(shù)為k2,則其輸出電壓vout4為：

結(jié)合附圖4所示，開啟電壓設(shè)置過程如下：

設(shè)輸出電壓vout4即為開啟電壓設(shè)置單元的輸入?yún)⒖茧妷簎th_ref，

設(shè)運算放大器u2的輸出電壓為uth_set，比較器u1的輸出電壓為u1out，

晶體管q1基極電位為ub，晶體管q1發(fā)射極電位為ue，

當(dāng)uth_set<uth_ref時，比較器u1的輸出電壓u1out＝-15v，于是

其中，r1＝24k，r2＝51k，r3＝10k，代入(6)得：

ub＝-2.34v…….(7)

進(jìn)一步，ueb＝ue-ub＝2.34v……(8)

晶體管q1導(dǎo)通，有電流ie從q1的發(fā)射極流到集電極，此時晶體管q1發(fā)射極電位：ue＝0-ie×r4<0

設(shè)流過電阻r5的電流為ir，流過電容c6的電流為ic，以運算放大器u2為核心的電路組成一個深度負(fù)反饋，虛短成立；進(jìn)一步，運算放大器u2的同相輸入端通過電阻r9接地，所以電容c6的電流為ic為“虛地”；

電路中，流過電阻r5的電流ir等于電容c6中的電流為ic：

從時間t1到時間t2時間段，運算放大器u2的輸出電壓為uth_set：

由(10)式，可知運算放大器u2的輸出電壓uth_set隨著時間而升高，即場效應(yīng)管柵極電壓ugs＝uth_set-vbe初始電壓隨著時間升高。

當(dāng)uth_set>uth_ref時，比較器u1的輸出端集電極開路相當(dāng)于高阻態(tài)，于是

因為ueb＝ue-ub<0，所以晶體管q1截止，ue＝0

由式(9)可知：即此時電容c6停止充電，運算放大器u2的輸出電壓停止上升。

綜上所述，穩(wěn)態(tài)時，運算放大器的輸出電壓等于開啟電壓設(shè)置單元的輸入?yún)⒖茧妷海?/p>

即

于是，由式(12)可知，上述開啟電壓設(shè)置電路實現(xiàn)了對功率場效應(yīng)管的柵極電壓的設(shè)置。

開啟電壓設(shè)置電路旨在對功率場效應(yīng)管的初始柵極電壓進(jìn)行設(shè)置，以加速其導(dǎo)通速度，改善其動態(tài)響應(yīng)性能，所以在具體應(yīng)用時，需要事先通過功率場效應(yīng)管數(shù)據(jù)手冊獲取其開啟電壓參數(shù)uth(on)，開啟電路設(shè)置的參考電壓需要滿足條件：uth_ref<uth(on)

結(jié)合附圖6所示，設(shè)輸出電壓vout3即為數(shù)控恒流源的輸入基準(zhǔn)電壓ui_ref，

以ua301a為核心的電路組成了一個深度負(fù)反饋，在運算放大器ua301的2號引腳和3引腳之間形成虛短，ua301的3號引腳通過電阻ra311接地，則ua301的2號引腳和3引腳的電位等于零，為“虛地”。

設(shè)ri＝ra306//ra307，rf＝ra313+ra393，rs＝ra324，輸出電流為iout，則根據(jù)虛短和虛斷，電路平衡時，流過電阻ri的電流等于流過電阻rf的電流，

即

于是，

設(shè)將k4代入式(16)可得，

由式(17)可知：輸出電流的大小正比于輸入數(shù)字量的小，合理搭配參數(shù)，可實現(xiàn)數(shù)控恒流源。

電路見附圖5和附圖6所示：

ua101為超低噪聲基準(zhǔn)電壓芯片、輸入為+15v電源電壓，輸出為2.50v參考電壓，電容ca102電容ca104為ua101的輸入旁路電容，電容ca103、電容ca104、ca105電容為ua101的輸出旁路電容；電壓基準(zhǔn)精度越高越好，溫漂越小越好。

ua102和ua104為串行16位dac芯片ad5541crz，+5vd是電源電壓，vref2v5是2.50v輸入電壓基準(zhǔn)。ncs1、ncs2、din1、sclk1信號來自控制單元fpga，其中，ncs1、ncs2為片選信號din1信號為串行數(shù)據(jù)，sclk1為20mhz時鐘信號，ua101和ua102為單極性輸出，輸出電壓范圍為0至2.50v。

ua105、ua301為高精度、低噪聲、低失調(diào)電流雙運算放大器芯片，帶寬為10mhz，上升速度為4v每微秒。

ua105a、電阻ra104、電阻ra105和電阻ra106組成反相比例放大電路，放大倍數(shù)為-3倍，ui_ref的電壓范圍為-7.5v到0；ua105b、電阻ra107、電阻ra108和電阻ra109組成同相比例放大器，放大倍數(shù)為4倍，電阻ra339和電阻ra340為電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，將同相比例放大器的輸出電壓衰減為原來的二分之一，uth_ref的電壓范圍為0到5v?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)比例電阻，靈活改變ui_ref和uth_ref的范圍，以適用于使用條件的需要。

ua301、電容ca310、電容ca306、電阻ra306、電阻ra307、電容ca303、電阻ra304、電阻ra331、電阻ra382、晶體管qa303、電阻ra314、功率場效應(yīng)管qb305、電阻ra324、電阻ra322、電阻ra326、電阻ra328、電阻ra332、電阻ra313、電容ca311、電阻ra321、電阻rb331、+15v和-15v組成數(shù)控恒流源，其中ra324為大功率精密無感電阻，阻值為0.1歐姆、額定功率為3w，精度為1％，溫漂為20ppm，電流的精度取決于ra324，輸出電流大小為0到3a。

ub305為比較器芯片lm393，采用雙電源+15v和-15v為ub305比較器供電，輸入電壓uth_ref、ub305、ua301a、+15v和-15v電源電壓、電阻rb337、電容ca319、電阻rb335、電阻rb339、晶體管qb301、電容cb317、電阻rb331、電阻ra321、電容ca303、電阻ra304、電阻ra382、晶體管qa303、電阻ra314、電阻ra311組成開啟電壓設(shè)置電路，當(dāng)ua301a的1號引腳輸出電壓小于uth_ref時，晶體管qb301上午be結(jié)導(dǎo)通，電流從發(fā)射極流到集電極，其發(fā)射極電壓為負(fù)，電容ca303充電導(dǎo)致ua301的1號引腳電壓升高，當(dāng)電壓升高到大于uth_ref時，比較器輸出端集電極開路，導(dǎo)致晶體管be結(jié)截止，晶體管qb301的發(fā)射極接地，電容ca303立即停止充電，所以ua301的1號引腳輸出電壓等于uth_ref，功率場效應(yīng)管的柵極電壓為uth_ref減去晶體管qa301的be結(jié)電壓，實現(xiàn)對功率場效應(yīng)管柵極電壓的預(yù)處理。

以上說明書中描述的只是本發(fā)明的具體實施方式，各種舉例說明不對本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的具體實施方式做修改或變形，而不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。