一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统

1.本发明属于电流源领域，涉及一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统。
2.

背景技术：
随着传感器技术的发展，具有微小恒定电流输出的传感器应用越来越广泛。例如，在电化学分析领域，微电极将被测物质的含量转化为微小的极化电流输出；在反应堆功率测量中，使用电离室将中子注量率转化为微小电流输出；在电气工程领域，绝缘子的绝缘特性也是依赖于在高压激励下微弱漏电流的测量。在对采用微小电流输入的二次仪表测试和校准工作中，需要使用高精度和高稳定性的微小电流源作为激励。不仅仅是在小功率小电流的应用场合需要高精度高稳定性的电流源，在某些大功率技术应用场合，同样会对电流源的精度有较高的要求，例如在焦耳热发加工合成材料领域，需要高精度的电流源来实现对焦耳热升温的精确控制。
3.实现精密电流源的方式主要有两种，一是采用开关模式方案，采用峰值电流控制、平均电流控制或滞回电流控制来调节输出，控制方法主要基于pwm和pfm来进行调制控制。基于pwm的开关直流电流源电路使用pwm调节器来控制电子开关的导通与关断，控制功率开关的占空比。通过对占空比的调节来改变负载两端的电压，从而使通过负载rl的电流维持稳定。而基于pfm的开关直流电流源电路使用振荡器来控制电子开关导通与关断，控制功率开关的频率。通过对频率的控制来改变负载两端的电压，从而使通过负载rl的电流维持稳定。由于开关元件工作在开关状态，使得整体效率高，然而固有的开关性质在输出中会产生波纹，从而影响输出的精度；另一种方法是采用线性模式方案，通过负反馈控制来调整电源开关的门电压，使其工作在线性区，输出功率支路上的采样电阻能够分得所对应得电压值，从而输出稳定得电流信号。与开关稳压器相比，线性稳压器虽然存在效率低等缺点，但精度和稳定性更高。


技术实现要素：

4.1.所要解决的技术问题：1）现有许多高精度电流源的实现是基于数控与硬件相结合的方式，整个系统较为复杂，同时输出稳定性较差，精度较低，响应速度较慢。
5.2）基于单线性电流源，单反馈结构的高精度电流源输出电流信号可调范围有限，适用范围小。
6.3）基于单闭环单反馈的线性电流源受到且受到电路结构以及线路中器件的影响所产生的误差较大，精度会受到误差的影响使得输出电流精度受限，存在较大的相对误差。
7.4）大多数高精度电流源工作模式单一，对输出波形的可编辑程度较低。
8.2.技术方案：为了解决以上问题，本发明提供了一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，包括分布电流内环功率级单元和电流外环反馈校准单元，所述分布电流内环功率级单元是在线性电流源电路闭环运放电路的分布电流内环上，增加一个集总电流外环的负反馈
电路，对输入基准控制电压信号进行修正；所述电流外环反馈校准单元是在分布电流内环上，采集集总输出电流，将其转换为相应电压信号，通过校准和运算放大器与输入基准控制电压信号进行比较修正。
9.所述分布电流内环由多路线性电流源并联而成，所述线性电流源采用单闭环单反馈的结构形式。
10.在线性电流源电路闭环运放电路的分布电流内环上，增加一个集总电流外环的负反馈电路的实现方式是在内环分布电流集总输出支路上添加电流传感器来检测输出电流大小，通过与设定输入电压所比较，最后通过运算放大器反馈系统来提升整个系统输出电流的精度。
11.单个所述分布电流内环单元的电路采用双路高速电压反馈放大器，所述双路高速电压反馈放大器用正负电源vee和vcc进行供电。电路通过差分采样来检测采样电阻上的电压，送到反馈运算放大器的反向端，与给定基准电压进行比较使得采样电阻两端的电压等于基准电压。
12.所述电路包括功率级电路、驱动级电路和补偿电路，功率电路采用电压控制的场效应管mosfet，通过驱动级电路来控制场效应管mosfet的工作状态；所述驱动级电路包括一个场效应管mosfet和一个三极管，用于控制驱动电压，并通过电阻分压与稳压管稳压来控制功率支路上场效应管mosfet的工作状态，场效应管mosfet导通时工作在线性区域，利用场效应管mosfet导通阻值进行分压保证采样电阻支路电压与基准电压相同。
13.在电流外环反馈校准单元中，通过校准和运算放大器与输入基准控制电压信号进行比较修正时，运算放大器的输出电压信号作为电流源功率级单元的输入电压控制信号。
14.电流外环反馈校准单元还包括ccvs模块，用于将电流源功率级单元的输出电流转换为电压信号的电流传感器，电流信号转换为电压信号后经过pi环节进行校准，再与输入基准控制电压信号比较修正，此时运算放大器的输出电压作为电流源功率级单元的驱动信号来调节各个线性源功率的输出。
15.3.有益效果：本发明保证每一路独立电流源的电流控制精度和稳定性；同时在多路电流源并联后添加集中电流外环，控制多路电流源叠加后的控制精度问题，实现电流源的分布式内环和集总电流外环的双负反馈-双闭环，从控制机理上可显著减小电流源系统的输出电流误差，提高整体电流源输出精度，同时线性功率级的设计可保证sps烧结电流源是实现真实意义上的零电流纹波输出，保证了sps温度的快速性控制，可以在材料合成加工中更快速、准确的控制焦耳热所产生的热量，实现焦耳热可控。
附图说明
16.图1是集总电流外环-分布电流内环式高精度电流源结构组成示意图。
17.图2是线性电流源电路结构示意图。
18.图3是集总电流外环结构示意图。
19.图4是示波器未测量时的波形图。
20.图5是双闭环是 uref=0.3v时集总输出电流大小示意图。
21.图6是双闭环uref=1.5v时集总输出电流大小示意图。
22.图7是双闭环uref=3v时集总输出电流大小示意图。
23.图8是单路单闭环是 uref=0.3v时集总输出电流大小示意图。
24.图9是单路单闭环uref=1.5v时集总输出电流大小示意图。
25.图10是单路单闭环uref=3v时集总输出电流大小示意图。
26.图11是双电流源闭环与单闭环与电流源输出相对误差对比折线图。
27.图12是输出电流编辑功能示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明进行详细说明。
29.如图1所示，一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，包括两个部分组成：分布电流内环功率级单元和电流外环反馈校准单元。双电流环的线性功率级单元即集总电流外环-分布电流内环模块是在线性电流源电路闭环运放电路的分布电流内环基础上，再增加一个集总电流外环的负反馈电路，对输入基准控制电压信号进行修正。
30.其中分布电流内环由多路线性电流源并联而成，线性电流源采用单闭环单反馈的结构形式。在分布电流内环的结构基础上，添加集总电流外环反馈，其实现方式是在内环分布电流集总输出支路上添加电流传感器来检测输出电流大小，通过与设定输入电压所比较，最后通过高速运算放大器反馈系统来提升整个系统输出电流的精度。
31.如图3所示，电流外环反馈校准单元是在分布电流内环的基础上，采集集总输出电流，将其转换为相应电压信号，通过校准和运算放大器与输入基准控制电压信号进行比较修正，运算放大器的输出电压信号再作为电流源功率级单元的输入电压控制信号，进一步提高输出线性电流精度。
32.其中，ccvs模块表示将电流源功率级单元的输出电流转换为电压信号的电流传感器。电流信号转换为电压信号后经过pi环节进行校准，再与输入基准控制电压信号比较修正。运算放大器的输出电压再作为电流源功率级单元的驱动信号来调节各个线性源功率的输出，使得最后的集总输出电流能够稳定在理想输出值，实现高精度的电流输出。
33.如图2所示，分布电流内环单个功率单元结构示意图，即线性源的拓扑结构，采用双路高速电压反馈放大器，双路高速电压反馈放大器用正负电源vee和vcc进行供电，当在输入端给定一个参考电压u
ref
，利用运放“虚短虚断”的特性，电路通过差分采样来检测采样电阻上的电压，送到反馈运算放大器的反向端，与给定基准电压u
ref
进行比较使得采样电阻两端的电压等于u
ref
，便可以得到一个采样电阻支路电流i，实现通过给入电压来线性地控制输出电流。
34.功率电路采用电压控制的场效应管mosfet，通过驱动级电路来控制场效应管的工作状态，驱动级电路由一个mosfet和一个三极管组成，通过场效应管来隔离电压与电流信号，防止大电流回流损坏运算放大器，场效应管与三极管的组合来控制驱动电压大小，之后通过电阻分压与稳压管稳压来控制功率支路上场效应管的工作状态，此外，在多路线性源并联的情况下，驱动级电路还对长线带来干扰有着较好的滤除作用。mosfet导通时工作在线性区域，利用mosfet导通阻值进行分压保证采样电阻支路电压与基准电压相同。也正因为开关管工作在线性区，所以系统为一阶系统，可以实现高响应速度，能够达到的精度等级也比较高。
35.对于补偿电路，其中的pid环节，在动态环境中作为整个线性电流源的核心部分，很大程度上的提升了线性源系统的精度与稳定性。
36.由于分布电流内环的特性使得其输出的集总电流变化幅度可以达到很大，从几十毫安级别到几十安。所以在之后的验证实验中，将分布电流内环中的线性电流源个数固定为十个，来验证所提出的集总电流外环-分布电流内环式电流源系统。
37.首先验证能够通过改变u
ref
的输入值来调节输出电流大小，改变输入电压值u
ref
分别为0.3v、0.6v、1.5v、2.4v、3v使得输出理论集总电流i
ref
为1a、2a、5a、8a、10a。用电压探头和电流线圈分别测取真实的输入基准电压u
ref
和集总电流输出支路上的电流i
ref
。如图4所示为示波器未测量时的波形，图5、图6、图7为在给入基准电压为0.3v、1.5v、3v时的电流输出波形，具体排除误差后的输出电流i
ref
与基准电压u
ref
数据如表1所示。可以看到随着输入的基准电压u
ref
增大，输出的集总电流也随之增大，且输出值与理论值非常接近，从示波器读数可以看出，在排除掉测量误差之后，输出的实际电流i
ref
与理论值只有毫安级别的差别，如表1所示，因此本结构能够输出高精度的电流输出。
38.表1 双闭环电流源在不同基准电压下实际输出电流与理论输出电流大小。
39.与单闭环单反馈相比较，单路单闭环单反馈的电路结构如图2所示，通过10路并联可以得到集总电流分布电流式电流源，改变输入电压值u
ref
分别为0.3v、0.6v、1.5v、2.4v、3v使得输出理论集总电流i
ref
为1a、2a、5a、10a。用电压探头和电流线圈分别测取真实的输入基准电压u
ref
和集总电流输出支路上的电流i
ref
，图8、图9、图10为在给入基准电压为0.3v、1.5v、3v时电流输出波形，具体排除误差后的输出电流i
ref
与基准电压u
ref
数据如表2所示。
40.表2 单闭环电流源在不同基准电压下实际输出电流与理论输出电流大小
。
41.将单闭环电流源输出精度与双闭环电流源输出精度曲线对比折线图如图11所示，其中实线为本发明所提出的集总电流外环-分布式电流内环的输出电流相对误差曲线，虚线为仅在分布式电流内环条件下得到的输出电流相对误差曲线。
42.通过对比表1和表2，以及图11的误差精度折线对比图，可以发得出，采用集总电流外环-分布电流内环的结构相较于单闭环、单反馈的结构具有更小的相对误差，证实了采用本设计的结构拓扑实现的电流源能实现更高精度的电流输出。
43.本发明的集总电流外环-分布电流内环式电流源系统输出电流可编辑，通过逐渐改变输入基准电压u
ref
来同步等比例改变输出电流的大小，从而实现输出波形可编辑，逐渐改变输入基准电压u
ref
，通过电流线圈测得输出电流i
ref
，可以看出通过对输入基准电压u
ref
就可以实现对输出电流i
ref
进行同步编辑。因此本结构能够实现对输出电流进行编辑。

技术特征：
1.一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：包括分布电流内环功率级单元和电流外环反馈校准单元，所述分布电流内环功率级单元是在线性电流源电路闭环运放电路的分布电流内环上，增加一个集总电流外环的负反馈电路，对输入基准控制电压信号进行修正；所述电流外环反馈校准单元是在分布电流内环上，采集集总输出电流，将其转换为相应电压信号，通过校准和运算放大器与输入基准控制电压信号进行比较修正。2.如权利要求1所述的一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：所述分布电流内环由多路线性电流源并联而成，所述线性电流源采用单闭环单反馈的结构形式。3.如权利要求1或2所述的一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：在线性电流源电路闭环运放电路的分布电流内环上，增加一个集总电流外环的负反馈电路的实现方式是在内环分布电流集总输出支路上添加电流传感器来检测输出电流大小，通过与设定输入电压所比较，最后通过运算放大器反馈系统来提升整个系统输出电流的精度。4.如权利要求1或2所述的一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：单个所述分布电流内环单元的电路采用双路高速电压反馈放大器，所述双路高速电压反馈放大器用正负电源vee和vcc进行供电，电路通过差分采样来检测采样电阻上的电压，送到反馈运算放大器的反向端，与给定基准电压进行比较使得采样电阻两端的电压等于基准电压。5.如权利要求4所述的一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：所述电路包括功率级电路、驱动级电路和补偿电路，功率电路采用电压控制的场效应管mosfet，通过驱动级电路来控制场效应管mosfet的工作状态；所述驱动级电路包括一个场效应管mosfet和一个三极管，用于控制驱动电压，并通过电阻分压与稳压管稳压来控制功率支路上场效应管mosfet的工作状态，场效应管mosfet导通时工作在线性区域，利用场效应管mosfet导通阻值进行分压保证采样电阻支路电压与基准电压相同。6.如权利要求1或2所述的一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：在电流外环反馈校准单元中，通过校准和运算放大器与输入基准控制电压信号进行比较修正时，运算放大器的输出电压信号作为电流源功率级单元的输入电压控制信号。7.如权利要求6所述的一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，其特征在于：电流外环反馈校准单元还包括ccvs模块，用于将电流源功率级单元的输出电流转换为电压信号的电流传感器，电流信号转换为电压信号后经过pi环节进行校准，再与输入基准控制电压信号比较修正，此时运算放大器的输出电压作为电流源功率级单元的驱动信号来调节各个线性源功率的输出。

技术总结
本发明提供了一种集总电流外环-分布电流内环式电流源系统，分布电流内环功率级单元是在线性电流源电路闭环运放电路的分布电流内环上，增加一个集总电流外环的负反馈电路，对输入基准控制电压信号进行修正；电流外环反馈校准单元是在分布电流内环上，采集集总输出电流，将其转换为相应电压信号，通过校准和运算放大器与输入基准控制电压信号进行比较修正。本发明保证每一路独立电流源的电流控制精度和稳定性；实现电流源的分布式内环和集总电流外环的双负反馈-双闭环，提高整体电流源输出精度，保证SPS烧结电流源是实零电流纹波输出，保证了SPS温度的快速性控制，可以在材料合成加工中更快速、准确的控制焦耳热所产生的热量。量。量。


技术研发人员：赵颂扬 金珊珊 方志
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/11