浅析恒流源与恒压源及其应用

前言                                                                 

    本文的目的是通过实用电路介绍恒流源和恒压源的原理以及在实用电路设计中的应用,使我们明确学习电路原理的目的不是为考试而考试,而是明白学习的最终目的是学以至用。通过实践,我们可以把沽燥的理论通过实验和有价值的实际应用,不但巩固了理论知识,提高了学习兴趣,还能从中获得成功的乐趣和自豪的成就感。感性和理性的有机结合能使你把难以理解的深奥理论变得非常简单易懂。下图是恒流源在锂离子电池充电器中应用的典型例子。

浅析恒流源与恒压源原理以及在锂电充电中的应用

作者 平民

     多年来科学家、工程师、能源专家们为寻找环保型的蓄电池进行了不懈的努力,人们想寻找一种能替代铅和镍镉镍氢材料制造的蓄电池,这几种蓄电池的废弃物会对环境和水源造成污染,危害人类的生存和健康。90年代末期这种环保型电池在专家们的努力下应运而生，它就是锂离子电池。这种电池已经在很多领域得到了广泛的应用。

     目前最好的充电电池首推锂离子电池,内阻很小是锂离子电池的一大优点,也就意味着它工作时自身的无功损耗与常见的镍镉或镍氢电池相比要小得多,内阻引起的发热要来得小,且自放电（漏电,通常叫跑电）性能优异,无记忆效应，因此锂电池得到了广泛的应用,但价格也较贵。一般电子产品用的配套电池均为电池封装了专用集成电路充放电保护板（比如手机、笔记本电脑）。但这种电池比较骄气,过充电或过放电均会对电池性能造成损害,甚至造成永久损坏而报废。它的单节标称为3.6V,最高充电额定电压为4.2V,允许误差上限不大于+1％,放电终止电压不得低于2.7V（通常为3V）,内阻很小是锂离子电池的一大优点,也就意味着它工作时自身的无功损耗与常见的镍镉或镍氢电池相比要小得多,内阻引起的发热要来得小,因此锂电池得到了广泛的应用,但价格也较贵。因此针对锂电池而设计的充电器必须对充电电流大小加以控制，但本人对多数原装厂家配套充电器进行了检测分析,多数均设计为近似恒压式（稳压电源内阻极小，理论定义内阻为0），它的输出电压一般为5V或＞5。当放完电的电池再充电时充电器输出电压与待充电池的压差较大（5V-3V/电池内阻=充电电流﹞,如果电池内阻很小,势必初充电阶段电流较大,电池发热严重,甚至发热彭胀而鼓包,使电池过早报废,甚至引起爆炸（有关事件已有多起报导）。但随着电池电压不断上升,压差减小,充电电流也逐渐减小,接近上限电压时电流却很小,充足电需要很长时间,有些甚至无法充满至4.2V,长期欠充足的电池由于内部电解质不能充分参与反应而使容量下降,技术术语称这种现象为“钝化”。有些手机电池使用时间明显缩短就是这个原因。解决的办法是必须采用恒流恒压式充电器,也就是不论电池电压由最小值变化到最大值,充电器的输出电流均为恒流（从原理的定义,恒流源的动态内阻为∞大；从电源输出端看进去的内阻）实际电路中,恒流源是一种内阻随压差［空载电压－负载压降（或电池电压）=压差］的变化而改变,压差大时电阻大,压差小时电阻变小,它是靠电子器件自动调节而实现的，它的作用就像滑动变阻器,我们称之为恒流源。跟据晶体三极管放大原理可知,只要注入基极（b）的电流不变,集电极（c）输出电流就一定是恒定不变的,可用公式求证:Ic=Ib·β,β是放大系数,它是个固定不变的常数,理论上Ic只与Ib 有关, 而与电源电压大小无关。人们跟据这个原理设计成了实际的恒流源。钳位电路设定输出端电压为4.2V,使锂电池充电电压上限为4.2V,避免了过充电情况的发生，这种具有恒流恒压特性的充电器为电池的安全充电提供了保证。

    很多电子爱好者、工程师们为解决锂电的充电问题动了不少脑筋,在专业论坛上也有不少设计方案，但不是电路设计太复杂成本太高，就是性能不可靠（往往被充电池上限电压有些会超过额定值4.2V）。多数设计的充电恒流电路本身功耗太大（空载端电压－电池电压X充电电流=功率损耗）而发热严重,究其原因是大内阻的电源必然产生的结果，跟据全电路欧姆定律得出:U/I=（Rr+R），（Rr为电源内阻，R为电池内阻,在这里可看作外阻）,如果Rr远远大于R时,主要功率将消耗在Rr上,即 I平方X（Rr－R），这个Rr越大,功耗就越大,发热量也就越大。电池安全了,但充电器却成了“烫手的山竽”，这是线性电源电路无法避免的矛盾,下图是一款采用开关式恒流恒压源的充电器电路,它克服了高内阻线性电路功耗大的弊病。

     既然恒流源由于内阻大而注定功耗很大,有没有降低功耗的办法呢？回答是肯定的，从公式U平方/R=P中看出,只要我们把空载电压U减小,P不就跟着减小了吗？ 如果我们把U降低为原来的1/2,即1/2·U, 功耗=（1/2·U ）平方/R=（1/2）平方·P=1/4P,由于U降低了1/2,则P降低为原来的1/4,功耗可减少3/4！当然,恒流源是以压差大加上大内阻而得以实现恒流特性的,这个压差可以做到多小是有一定局限的,如果恒流调节采用双极型晶体管,那么这个压差必须大于该管的饱和压降值,假如压差设定为3V,空载电压则可用公式求得:U=3V+VCE+Ue（U为空载电压,VCE为晶体管饱和压降,Ue为电池电压），内阻Rr=U-（VCE+UE）/I。如果采用内阻极小的埸效应管（如型号为2SK1748,它的内阻RDS典型值为0.11Ω）,可以进一步降低恒流源的压差,以达到降低功耗的目的。计算机主机电源普遍采用绝缘栅型埸效应管,且设计为双桥式，它的电压利用率比彩电电源高一倍,也就是说它的功率可以比单端式大4倍,跟据公式求得:（2U）平方/R=4P。笔者曾测试过,这类电源的温升较低。

   开关式电源的无功损耗一般在20％ 以下或更低（效率为80％以上）,设计得好的效率可达95％。它的功率损耗主要由于工作在高频振荡状态下,开关功率器件的导通速率决定的,它引起的损耗主要是产生矩形波的上升沿和下降沿的过渡时间（速率），速率越高,过渡时间越短功耗越小（矩形波的前后沿越徒直）这是由器件本身特性决定的,当然也可以采用加速电路加以改善。跟据理论推理和实际公式计算,半导体器件功耗最大时即在放大区,而在饱和区时内阻最小,功耗也最小。当然在截止区时电流不通过功率开关管,也就无所谓损耗了，但退出饱和区时由于载流子的抽取需要一定时间也会因下降速率问题而产生功耗。（开关型电源中电磁变压器的磁滞损耗和线圈导体电阻损耗不在本文讨论之列）。

    刚好相反,我们所设计各种电器的电源电路时追求工作电压越稳定越好，它意味着电源内阻趋近于0（从电源输出端看进去的内阻），这样不但可以减少无功损耗,节约电能,而且可以减少电器设备的发热量,使电器设备能持久安全稳定的工作,延长设备的使用寿命。这个内阻极小（电路理论定义为0；从电源输出端看进去的内阻）的电源理论上称为恒压源。

说明:由电子器件设计的恒流源内阻由空载电压和负载电阻决定,其实只能有一个最小值变化到最大值的可变局限范围,而不会无穷大。如果空载电压极大时.负载电阻变化不大时,电流近似为恒流。

问与答

问:怎样识别恒流电路与恒压电路？ 

答1:采用共发射极电路的是恒流电路，如果采用达林顿管内阻更大。 

答2:采用共集电极电路的是恒压电路，如果采用达林顿管内阻更小。 

笔者设计的类似电路与以下介绍的电路相比更为简单可靠,有兴趣的电子发烧友如有需要可以跟本人联系。

                                                            

下面介绍的为无保护板锂电池充电设计的大电流充电保护板，可为单节、多节锂电或镍氢电池组充电！这款保护板可以为你解决锂电的安全充电问题。

详 ? 细 ? 描 ? 述   由DC-DC转换专用的OCP2596-ADJ组成的精密可调稳压电路及LM358和TL431组成的恒流源电路完美结合而成。恒流恒压源均由多圈电位器进行精细调节，并有以下显著的优点：

1、恒流、恒压：可对锂电池进行恒流，恒压充电，在充电的初期，充电板以恒流的方式大电流对电池快速充电，在充电即将完成的时候，转入恒压涓流充电，电池充满自停，使用安全。

2、宽压输入、输出：输入电压≤35V；输出1.25-24V，输入输出压差≥3.5V。输入、输出滤波电容均为1000μF/50V、102℃耐高温电解电容器。

3、锂电充电电压设定：锂电池对充电电压要求极为严格，过充会造成电池的容量急剧衰减，缩短电池的寿命。在不知道电池电压的情况下，建议将充电板输出电压设定在4.2V（两节锂电池：8.4V）。充单节电池输入电压≥7.7V，充两节电池输入电压≥11.9V。

4、锂电充电电流设定：不同的锂电池需要设定的充电电流也不同，一般可按电池容量的10%--100%设定。小电流充电可以延长电池的寿命，使电池充的更满。本充电板输出电流可以在50mA--2000mA之间调整。

5、2A恒流恒压电源：本充电板可以用于高等级电子电路中用于稳压稳流电源，效果极其良好。

6、低功耗：由于采用2596 DC-DC转换电路，该电路的能效比极高，转换效率可达80%以上。

7、稳压电源：可以很容易的改为连续可调2V--30V/50--2000mA直流、恒流稳压电源。

该成品板郑州市东明电子公司有售。网址:WWW.ZZ-DM.COM

接线图示：

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