Lm317电压源芯片制作电流源
文章目录
- 一、电压源电路
- 二、电流源电路
- 三、电流源性能测试-Multisim仿真
- 3.1、带载能力
- 3.2、输出电流的稳定性
- 3.3、输出电流的温度特性
- 3.4、Load Regulation和Line Regulation
- 四、结束语
项目中的传感器需要使用电流源供电，查找资料可以使用电压源芯片LM317构造一个电流源芯片。本文将电压源魔改为电流源的设计思路可以扩展到其他类型的电源芯片上，如开关电源及其他类型的线性电源，关键点在于
基准电压VREF的使用。LM317是一个三端线性电源稳压器，因为其电路简单，经常被用于生成3.3V电压。
一、电压源电路
图1 电压源电路
LM317搭建的电压源电路的工作原理是OUTPUT引脚于和ADJUST引脚的电压基本上不变是1.25V。理想情况下R1和R2上通过的电流是一样的(不考虑 I A D J I_{ADJ} IADJ， I A D J I_{ADJ} IADJ对于输出电压的影响可以忽略的情况下)，所以 V o R 1 + R 2 = V R E F R 1 \frac{V_{o}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{V_{R E F}}{R_{1}} R1+R2Vo=R1VREF。如果考虑 I A D J I_{ADJ} IADJ，应该如何计算呢？如图1所示， I 1 + I A D J = I 2 {I_{1}+I_{ADJ}}=I_{2} I1+IADJ=I2，因为 V R E F R 1 \frac{V_{REF}}{R_{1}} R1VREF代表 I 1 {I_{1}} I1, V o − V R E F R 2 {\frac{V_{o}-V_{R E F}}{R_{2}}} R2Vo−VREF代表 I 2 {I_{2}} I2，所以可以列式子并化简最后结果与图3所示的数据手册给的公式一致，注意 I A D J I_{ADJ} IADJ的电流方向是向外流的。
V R E F R 1 + I A D J = V o − V R E F R 2 (1) \frac{V_{REF}}{R_{1}}+I_{A D J}=\frac{V_{o}-V_{R E F}}{R_{2}} \tag{1} R1VREF+IADJ=R2Vo−VREF(1)
V R E F ⋅ R 2 + I A D J ⋅ R 1 ⋅ R 2 = ( V o − V R E F ) ⋅ R 1 (2) V_{R E F} \cdot R_{2}+I_{A D J} \cdot R_{1} \cdot R_{2}=\left(V_{o}-V_{R E F}\right) \cdot R_{1} \tag{2} VREF⋅R2+IADJ⋅R1⋅R2=(Vo−VREF)⋅R1(2)
V R E F ⋅ ( R 2 + R 1 ) + I A D J ⋅ R 1 ⋅ R 2 = V o ⋅ R 1 (3) V_{R E F} \cdot\left(R_{2}+R_{1}\right)+I_{A D J} \cdot R_{1} \cdot R_{2}=V_{o} \cdot R_{1} \tag{3} VREF⋅(R2+R1)+IADJ⋅R1⋅R2=Vo⋅R1(3)
V R E F ⋅ ( R 2 + R 1 ) R 1 + I A D J ⋅ R 2 = V o (4) V_{R E F} \cdot \frac{\left(R_{2}+R_{1}\right)}{R_{1}}+I_{A D J} \cdot R_{2}=V_{o} \tag{4} VREF⋅R1(R2+R1)+IADJ⋅R2=Vo(4)
图2 电压源公式
二、电流源电路
图3 电流源电路
如图3所示是使用LM317搭建的电流源电路，它的工作原理是Vout与ADJ之间的电压基本上不变是1.25V，所以电阻R25上的电流 I 1 I_{1} I1是不变的（只要输出电压与输入电压的压差在数据手册规定的范围内）， I 1 I_{1} I1、 I 2 I_{2} I2、 I 3 I_{3} I3的电流方向如图所示箭头所示， I 3 = I 1 + I 2 I_{3}={I_{1}+I_{2}} I3=I1+I2,当改变负载时，理想情况下认为 I 3 I_{3} I3不会变化，那么 I 3 = I 1 − I 2 I_{3}={I_{1}-I_{2}} I3=I1−I2也是不会变化的，即 I 3 I_{3} I3不会随着负载的变化而变化，在计算 I 3 I_{3} I3的时候，因 I 2 I_{2} I2很小， I 2 I_{2} I2的值可以通过查看数据可知即式 I A D J I_{ADJ} IADJ只有50uA，一般情况下是可以忽略的。所以可以认为 I 3 = I 1 I_{3}={I_{1}} I3=I1， I 1 = V R E F R 25 I_{1}=\frac{V_{REF}}{R_{25}} I1=R25VREF，所以R25的电阻值决定输出电流的大小，通过调节R25的电阻值，可以得到不同电流大小的电流源。当R25的阻值是500欧姆时，输出的电流大小为2.5mA。也正是 I 3 I_{3} I3不变，所以在负载电阻RL不变的时候，Vout才不会变化，所以电流源电路加一个电阻就可以变换成电压源电路。
使用Multisim仿真测试的电流源电路，探针1的电流=探针2的电流+探针3的电流，其中探针3的电流大小为2.51mA（理想情况下是2.5mA，可能基准电压1.25V是典型值），探针2的电流既是 I A D J I_{ADJ} IADJ是50uA。①、如果改变负载电阻，负载电阻RL上的电压变化而电流几乎不变，对于RL来说是一个电流源。②、固定RL=1000欧姆不变，探针3的位置即式Vout输出电压的位置，保持3.81V不变，此时探针3的位置是一个电压源，1.25*（1000+500）/500+1000*0.00005=3.75+0.05=3.8V，与仿真测试不符的原因是，因为VREF=1.253V而非1.25V（使用万用表测试R1两端电压即为VREF电压值），导致通过R1的电流是2.51mA而非2.5mA，这里不再赘述。
图4 电流源Multisim仿真电路
三、电流源性能测试-Multisim仿真
对于电流源，根据电流源的应用场景以及对电流源需要关注的参数，对电流源的带负载能力与输出电流的稳定度。因为本文使用的电流源需要在-20~100度的范围内工作，所以选用工业级芯片，同时还要考虑电流源在输出电流在不同温度下的变化。
3.1、带载能力
因为设计的电流源的带载能力还没有进行测试，所以改变负载电阻阻值，测试RL上的电流以及Vout处的电压（因为电流源的带载能力与Vout引脚输出的最大值有一定的关系，所以这里一并测试并记录）。电压源不要短路（输出电流会很大），电流源不要开路（输出电压会很大）。其中电流和电压均使用万用表测试可以得到小数点后三位，也可以设置探针的精确度为5可以到小数点后四位。
结合测试数据，可以看到电流源在负载电阻变化比较小时即在0~6000欧姆变化，基准电压维持在1.253V变化很小，此时负载电流也随着基准电压变换而变化比较小，假如我们以6000欧姆为电流源的满载。我们根据最小负载（0欧）与满载（6000欧）的情况下负载电流减小了0.004mA，半载时（3000欧）负载上的电流为2.555mA，我们根据公式 ∣ 最小负载时电流-满载时电流| 半载时电流 × 100 % \frac{\mid \text { 最小负载时电流-满载时电流| }}{\text { 半载时电流 }} \times 100 \% 半载时电流 ∣ 最小负载时电流-满载时电流| ×100%可以计算出来其Load Regulation是0.1566%，通常指标是3%~5%，说明我们设计的这一款电流源的Load Regulation还是OK的。
| 负载电阻（欧姆） | 负载电流（mA） | 基准电压（V） | Vout引脚电压（V） |
|---|---|---|---|
0 |
2.557 |
1.254 |
1.254 |
| 100 | 2.557 | 1.253 | 1.509 |
| 1000 | 2.556 | 1.253 | 3.81 |
| 3000 | 2.555 | 1.253 | 8.918 |
| 5000 | 2.554 | 1.252 | 14.021 |
6000 |
2.553 |
1.252 |
16.571 |
| 10000 | 2.446 | 1.199 | 25.659 |
| 20000 | 1.256 | 0.6158 | 25.741 |
3.2、输出电流的稳定性
分别测试了最小负载、半载和满载三种情况下负载电阻的电压电流的瞬时值和峰峰值，电压是uV-V，电流是pA-mA，都是10e-6数量级的差别，其电流的稳定度优于10e-6。
图5 稳定性测试
3.3、输出电流的温度特性
因为影响输出能力的是电阻R25，所以R25更换为低温漂的阻值（如果是电压源，因为R1和R2都会影响电压的输出，所以R1和R2都应该换成低温漂电阻），不必使用高精度，高精度影响的是输出的固定值，精度低不会影响其温度特性，电阻的温度特性才会影响输出电流的温度特性。同时，LM317芯片自身的温度特性也会影响输出电流的温度特性，LM317的温度特性由数据手册给出。查看数据手册典型特征中关于Load Regulaiton和Line Regulaiton的图示，可以发现温度对其是有影响的，所以在更换R25位低温漂电阻后，对于电流源的温度特性最好做一下测试其在不同温度下的输出值的变化，判断其是否满足设计要求。因为本文设计的电流源是给电流型温度传感器供电用的，如果电流源在温度改变下电流值变化过大就会影响温度传感器的输出，从而影响温度的测试，造成不必要的误差。
图6 温度影响LM317的Load Regulation
图7 温度影响LM317的Line Regulation
3.4、Load Regulation和Line Regulation
Load Regulation即负载调节率。是指在额定电压情况下，电源负载在额定范围变化时，输出电压的变化率。
Line Regulation即线性调整率。是指在全满载的情况下，输入电压在额定范围变化时，输出电压的变化率。
关于Load Regulation和Line Regulation的测试方法可以参考这篇博客：Load Regulation和Line Regulation介绍
四、结束语
在设计电流源电路或者其他的电路时，知道你设计的电路需要关注哪些参数，即电路的设计标准是非常重要的，否则设计完的电路不知道如何去测试。所以查查资料翻翻书还是很有必要的，不是么少年？
