恒流电源的基本结构及电路设计

LED电源的工程师经常提及“恒流”驱动，其实，在很多电子设备中，有许多用电设备要求供给的电流(而不是电压)保持恒定。一般把这种能够向负载提供恒定电流的电源称为恒流源。恒流电源与稳流电源意思接近，就是指电源输出的电流大小是恒定不变的，不会随着电压的变化而变化，但是现实生活中，常见的多是恒压电源，恒流电源不常见。

经常有人问起，看到LED驱动电源，不知道是恒压源还是恒流源类型的。讲正题之前，先在这里给大家讲一个很实用的区分小技巧：看到一个LED驱动电源，先看电源的名牌参数。看输出电压这个关键参数：若它的电压标称是一个恒定值，则是恒压源。如果是一个范围值，则是恒流源。比如：有一个电源它的输出电压是12V，就确定这个是恒压源，如果它标称的是30～70V呢，那就一个恒流源。  

恒流源是LED电路中经常使用的，今天把比较常见的恒流源的基本结构和特点整理一下，给大家分享。当然，真正的恒流源电源都用的是这些结构的拓展和变换类型，或者集成IC的形式。  

基本的恒流源电路，这里依据主要组成器件的不同，可分为三类：晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源等。  

一，晶体管恒流源  

这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件，利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小，并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性，通常，还采用一定的温度补偿和稳压措施。其基本型电路如图1的A，B两种类型。    

图1晶体管恒流源的两种基本类型  

如图1中的A图， R1、R2分压稳定b点电位为Vb，Re形成电流负反馈 ,输出电流IO=(Vb-Vbe)/Re≈Vb / Re (Vb >>Vbe)。B图的计算参考A图。  

提示1：  

图1中的电路的不足就是晶体管的集射极间电阻一般为几十千欧以上，当只需几伏的工作电压，采用这种恒流源电路 ,其等效内阻是非常大，功耗大，且精度不高。  

实际电路中，最常用的简易恒流源如图2所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：I=Vbe/R1。  

图2，晶体管恒流源的改进型  

提示2：  

图2的这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be 电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。  

二，场效应管恒流源  

由场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图3所示    

图3场效应管恒流源  

图3A ,R1,R2分压稳定b点电位 , Vb =R2*VCC\(R1+R2)，而 Vgs=Vb-Id*RS  

Id=Idss( 1- Vgs*Vp)*2  

式中Vp表示为夹断电压 ，Idss为饱和漏极电流。也可以去掉电源辅助回路 ,变成一纯两端网络 ,电路如图3 B所示 ,由图可得Vgs =- Id*RS  

提示3：  

这种恒流源电路的场效应管为JEFT，超低噪声，输出电流有JEFT决定，检测电压与JEFT有关。  

三，集成运放恒流源  

为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图4所示，如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替如图4B。  

如图4B中，工作时，输入电压Vref与输出电流成比例的检测电压，Vs(Vs=Rs*Iout)相等，  

Is=Ib+Iout=Iout(1+1/Hfe)其中1/Hfe为误差。    

图4集成运放恒流源  

提示4：  

这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。  

从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式，就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个"电压基准"的器件上，最典型的就是利用TL431组成的恒流源电路。  

TL431是另外一个常用的电压基准，利用TL431搭建的恒流源如图5所示，其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。    

图4利用TL431搭建的恒流源  

电流计算公式为：Iout=Vref/Rs，检测电压根据Vref不同，即1.25V或者是2.5V不同而已。  

提示5：  

这种恒流源电路，使用并联稳压器TL431，简单实用且精度高。  

有经验的模拟电路工程师经常会用三端稳压IC做恒流源，使用这些三端稳压电源IC，本身精度已经很高，需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源，也有非常好的性价比，如图5所示的LM317的两种类型。    

图5LM317组成的恒流源电路  

电流计算公式为：I=V/R1，其中V是三端稳压的稳压数值。  

提示6：  

这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。  

总结：恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。  

能够进行电流反馈的器件，还有电流互感器，或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈，也可以利用回路上的发光器件(例如光电耦合器，发光 管等)进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源，而且更适合大电流等特殊场合，不过因为这些实现形式的电路都比较复杂，这里就不一一介绍了。

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