CN112527045A - 模块化的能输出任意波形的大电流电流源 - Google Patents

模块化的能输出任意波形的大电流电流源 Download PDF

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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Abstract

公开了一种模块化的能输出任意波形的大电流电流源，包括：若干个并联的恒流源模块，其中每个所述恒流源模块包括正负电流取样电阻RC1、RC2，正负电流取样电阻一端连接MOS管的源极，另一端和控制参考地相连并作为电源输出的正极，电源输出的负极则和输入直流电源的中心点相连，这样实现了电源的正负电流支路的独立控制，方便电源模块的并联，同时控制电路的工作电源和输入直流电源大小以及负载大小无关。模块化的所述恒流源模块并联来实现最终的大电流输出，并通过增加并联所述恒流源模块的数量来调整最大电流的输出。

Description

模块化的能输出任意波形的大电流电流源
技术领域
本申请涉及线性电源领域，尤其涉及对输出电流精度要求较高、波形要求较复杂且幅值较大的电源领域。
背景技术
在一些传感器、开关继电器触点测试过程要用到大电流源，大容量电池或超级电容应用***的测试需要用到标准的电流源来模拟电池或电容的电流特性，这就需要能提供复杂电流波形的高精度大电流。为了保证电流波形的精度以及降低***干扰，一般采用线性电源。
为了获得所需的电流，一般有两种途径获得，一种是采用高精度电压源和电阻负载串联，从而产生所需的电流，但温度的变化会使电阻值发生变化，从而引起输出电流的变化，因而这种方式难以获得高精度的电流。而且负载电阻调整不灵活，难以实现电流幅值的连续调节，并且功耗较大。
另一种方法是在线性电压源电路的基础上，把控制的反馈量改成输出电流，从而实现对输出电流的控制，其电路结构一般采用基于NMOS管和PMOS管的电压跟随器结构，但当负载阻抗较大时，要求控制电路输出的功率管控制电压较高，需要设计复杂的电压放大电路。为扩大输出电流，一般采用MOS管并联，但难以实现模块化设计，通过模块的增减来实现输出最大电流的增减。
发明内容
本申请提供的模块化的能输出任意波形的大电流电流源，采用模块化的设计结构，可以通过增减并联恒流源模块的数量来调整电流源输出电流的能力，通过增加冗余模块可以大大提高电源的可靠性。模块化设计也提高了电流源可维护性。
根据本申请实施例的一方面，提供一种模块化的能输出任意波形的大电流电流源，包括：
若干个并联的恒流源模块，所述恒流源模块包括：
功率电路，所述功率电路包括正功率支路和负功率支路，所述正功率支路串联若干并联的NMOS管，所述NMOS管的漏极和输入电源的正极相连，所述NMOS管的源极和正电流取样电阻RC1一端相连，所述正电流取样电阻RC1另一端接电源负载RL的正参考端，所述电源负载RL的负参考端接输入电源的串联中间点(即功率地)，所述负功率支路串联若干并联的PMOS管，所述PMOS管的漏极和输入电源的负极相连，所述PMOS管的源极和负电流取样电阻RC2一端相连，所述负电流取样电阻RC2的另一端和所述电源负载RL正参考端相连，控制参考地和所述电源负载RL正参考端相连；
控制电路，所述控制电路包括运算放大器A1、A2，所述运算放大器A1、A2的同相输入端接同一个电流给定信号，所述运算放大器A1、A2的反相输入端分别接所述NMOS管和所述PMOS管的源极，所述运算放大器A1、A2的输出端分别与第一互补功率放大器和第二互补功率放大器的输入连接，所述第一互补功率放大器和所述第二互补功率放大器分别通过栅极驱动电阻与所述NMOS管和所述PMOS管的栅极相连。
在一些示例中，还包括两台三相降压变压器，所述两台三相降压变压器输出端经过整流滤波电路后串联作为所述恒流源模块的所述输入电源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1示出了根据本申请实施例的一种模块化的能输出任意波形的大电流电流源框图。
图2示出了根据本申请实施例的一种恒流源模块的拓扑。
图3示出了根据本申请实施例的一种***管理控制模块框图。
具体实施方式
图1展示了一种模块化的能输出任意波形的大电流电流源框图，该电流源包括***管理控制模块、多个并联的恒流源模块。所述***管理控制模块用于完成人机交互、控制管理、***监控功能。所述恒流源模块的输入相同，为两组相同的电压源，其由两个独立的三相降压变压器经过整流滤波后获得。本申请并不限定所述恒流源模块的数量，当有10个能输出±100A级电流的所述恒流源模块并联时，整个电流源能输出±1000A级的电流。
所述恒流源模块是整个电流源的核心组成部分，其需要解决三个关键问题：一是输入功率电源和控制电路电源电压不一致，需要对传统线性放大器结构进行改进；二是MOS管并联问题，这要求尽量选择一致性较好的MOS管，并要求驱动电路有足够的驱动能力；三是控制精度和控制速度问题，这要求控制电路采用高增益、高速、低温漂的放大器。
每个所述恒流源模块包括正负电流取样电阻，正负电流取样电阻一端连接MOS管的源极，另一端和控制参考地相连并作为电源输出的正极，电源输出的负极则和输入直流电源的中心点相连，这样实现了电源的正负电流支路的独立控制，方便电源模块的并联，同时控制电路的工作电源和输入直流电源大小以及负载大小无关。
图2展示了一种恒流源模块的拓扑。如图2所示，上半部分的正功率支路产生正电流，下半部分负功率支路产生负电流。Q11～Q14和Q21～Q24分别为并联的4个NMOS管和PMOS管，为主电路电流调整管。Q1、Q2和Q3、Q4分别组成互补电路用于驱动相应的MOS管，RC1和RC2为正负电流取样电阻，其为精密高稳定性电阻。Vref为电流给定值，当Vref为正时，下半部分运放A2输出高电平，Q3完全开通，输出高电平，并联的PMOS管快速截止，上半部分的运算放大器A1则通过Q1和Q2控制Q11～Q14的栅极电压，从而控制正电流跟踪Vref。反之，当Vref为负时，上半部分的NMOS管截止，下半部分输出负电流。显然改变Vref的波形和幅值就可以改变输出电流的波形和幅值。本申请并不限定所述正功率支路并联的NMOS管数量，和所述负功率支路并联的PMOS管的数量。
当输出正电流时所述正功率支路的NMOS管工作，所述负功率支路的PMOS管截止；当输出负电流时，所述负功率支路的PMOS管工作，所述正功率支路的NMOS管截止，正负功率支路根据需要轮流工作，从而实现任意电流波形的输出。
本申请的电流源采用模块化设计，通过增减并联的所述恒流源模块的数量来调整***输出电流的能力，通过增加冗余模块来提高***可靠性。模块化设计提高***可维护性。所述恒流源模块的正负输出电流具有独立的正负功率支路，独立的正负电流取样电阻(RC1，RC2)和独立的正负电流闭环控制电路。正负电流取样电阻的一端和控制参考地相连，另一端分别和NMOS管和PMOS管的源极相连。正负电流的闭环控制运算放大器的反相输入端分别和NMOS管和PMOS管的源极相连，两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端和同一个电流参考信号相连。当电流参考信号为正时，负电流控制运放的输出为正，PMOS管截止，正电流取样电阻RC1的电压跟随给定电压，输出给定大小的正电流；反之，当电流参考信号为负时，正电流控制运放输出为负，NMOS管截止，负电流取样电阻RC2电压跟随给定电流信号变化，输出给定大小负电流。控制运放的输出串接一个由MOS管组成的互补功率放大器，增大运放的驱动能力，并且在每一个并联的MOS管的栅极串联一个相同的驱动电阻，以保证MOS管驱动的一致性。
所述***管理控制模块框图如图3所示，输出电流的控制电压由CPU通过FPGA产生，CPU把相应的波形数据传送给FPGA，FPGA采用DDS技术输出波形数据，并通过高速DA变成模拟信号，经过滤波器滤波后，采用电压跟随器把相同的给定电压输送到各个所述恒流源模块。
同时还通过温度、输入输出电压电流采集电路和AD转换器监控电流源散热器和机箱内部温度、以及输入、输出电压和电流。
通过设定，电流源可工作在恒压、恒流、恒功率模式，并且可以根据需要编辑各种输出电流波形，从而模拟电能源电性能测试***所需的各种运行工况。

Claims (2)

1.一种模块化的能输出任意波形的大电流电流源，其特征在于，包括：
若干个并联的恒流源模块，所述恒流源模块包括：
功率电路，所述功率电路包括正功率支路和负功率支路，所述正功率支路串联若干并联的NMOS管，所述NMOS管的漏极和输入电源的正极相连，所述NMOS管的源极和正电流取样电阻RC1一端相连，所述正电流取样电阻RC1另一端接电源负载RL的正参考端，所述电源负载RL的负参考端接输入电源的串联中间点，所述负功率支路串联若干并联的PMOS管，所述PMOS管的漏极和输入电源的负极相连，所述PMOS管的源极和负电流取样电阻RC2一端相连，所述负电流取样电阻RC2的另一端和所述电源负载RL正参考端相连，控制参考地和所述电源负载RL正参考端相连；
控制电路，所述控制电路包括运算放大器A1、A2，所述运算放大器A1、A2的同相输入端接同一个电流给定信号，所述运算放大器A1、A2的反相输入端分别接所述NMOS管和所述PMOS管的源极，所述运算放大器A1、A2的输出端分别与第一互补功率放大器和第二互补功率放大器的输入连接，所述第一互补功率放大器和所述第二互补功率放大器分别通过栅极驱动电阻与所述NMOS管和所述PMOS管的栅极相连。
2.根据权利要求1所述的模块化的能输出任意波形的大电流电流源，其特征在于，还包括两台三相降压变压器，所述两台三相降压变压器输出端经过整流滤波电路后串联作为所述恒流源模块的所述输入电源。
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