项目6 可调式稳流电源电路设计
在工程应用中，仅使用固定式稳流电源电路是远远不能满足需求的。本项目中的可调式稳流电源电路在之前固定式稳流电源电路的基础上进行改进，在保留了其精确、易实现、成本低等优势的前提下，可通过电位器来调节基准电压值的大小，从而实现稳流电源的可调功能，有较大的实用意义与学习价值。
设计任务
设计一个简单的稳流电源电路，使其输出在0.8~48mA之间可调。
基本要求
不因负载(输出电压)变化而改变。
系统组成
可调式稳流电源电路系统主要分为以下两部分。
基准电压输出电路：产生恒流源需要利用一个电压基准，在电阻上形成一定电流，这里利用TL431产生基准电压。
恒流源产生电路：利用电压跟随器，产生恒定输出电压，稳定电压除以电位器阻值产生可调电流。
系统模块框图如图6-1所示。
图6-1 系统模块框图
模块详解
1.基准电压输出电路
基准电压VREF（2.5V）由TL431产生，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。这个基准电压由R3和RV1分压后输出设置out1点电位，来调节恒流源所需输出电流。
选取RV1的阻值为2kΩ并调整至位置1（50%）处，基准电压输出电路仿真图如图6-2所示。
图6-2 RV1处于位置1时的基准电压输出电路仿真图
基准电压输出端out1用示波器监视，仿真结果如图6-3所示。
图6-3 RV1处于位置1时的基准电压输出波形
如图6-2所示，当RV1处于位置1时，可以在基准电压输出电路输出端out1处得到稳定的直流基准电压，大小为47.1mV。该输出信号由TL431输出的2.5V经R3与RV1分压后得到。
2.恒流源产生电路
基准电压输出电路的输出端out1处输出稳定的47.1mV基准电压至运算放大器的输入端。根据虚短关系，LM_in+端的电压与FB端电压相等，电压值为47.1mV。当场效应管导通时，电流Iout可以根据式（6-1）计算。
则输出电流可计算，大小为24.4mA。
恒流源产生电路空载仿真图如图6-4所示。
图6-4 RV1处于位置1时的恒流源产生电路空载仿真图
电路中场效应管选择IRF840，特点是噪声低、输入阻抗高、开关时间短。典型应用为电子镇流器、电子变压器、开关电源等。
IRF840是绝缘栅场效应管中的N沟道增强型。绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，由于它的栅极处于不导电（绝缘）状态，所以输入电阻大大提高，这为恒流源的输出精度打下了良好的基础。N沟道增强型绝缘栅场效应管的工作条件是：只有当栅极电位低于漏极电位时，才趋于导通。电路空载输出波形如图6-5所示。
图6-5 RV1处于位置1时的恒流源产生电路空载输出波形
如图6-5所示，当RV1处于位置1（50%）时，电路空载输出大小为24.4mA的直流电流。将基准电压输出电路中RV1调整到位置2（90%），改变了R3与RV1的分压比例，此时out1端当前输出达到84.8mV直流电压，如图6-6所示。
RV1处于位置2时恒流源产生电路空载输出波形如图6-7所示。
图6-6 RV1处于位置2时的恒流源产生电路空载仿真图（一）
图6-7 RV1处于位置2时的恒流源产生电路空载输出波形（一）
在RV1处于位置2（90%）时，场效应管同样导通，电流Iout可以根据式（6-1）计算，其大小为43.2mA，电路空载仿真图如图6-8所示。RV1处于位置2时的恒流源产生电路空载输出波形如图6-9所示。
图6-8 RV1处于位置2时的恒流源产生电路空载仿真图（二）
图6-9 RV1处于位置2时的恒流源产生电路空载输出波形（二）
图6-8所示为恒流源产生电路空载仿真图，当前电流输出值为43.2mA。在恒流输出端加入50Ω负载，测试电路加入负载是否能够正常工作。从图6-10 所示的仿真结果可以看出稳流电源的输出并不会因为加入负载而改变。
加入50Ω负载后，恒流源产生电路加负载输出波形如图6-11所示。
图6-10 恒流源产生电路加负载仿真图（一）
图6-11 恒流源产生电路加负载输出波形（一）
如图6-11所示，在电路加入50Ω负载时，测试负载电流输出为43.2mA，与空载时电路输出相同。再次调整负载大小，将负载调整为200Ω电阻，仿真结果如图6-12所示。
用图表显示当前恒流输出波形，如图6-13所示，可见稳流电源电路输出值一直稳定在43.2mA，即电源此时具有较好的稳定性。
图6-12 恒流源产生电路加负载仿真图（二）
图6-13 恒流源产生电路加负载输出波形（二）
注意
同之前固定式稳流电源电路的设计类似，只有当栅极电位低于漏极电位时，场效应管才趋于导通。所以当负载过大时，由于流过的电流为恒流，会导致栅极电压与漏极电位逐渐相等，最终场效应管截止，此时不会输出稳定恒流。
可调式稳流电源电路整体电路原理图如图6-14所示。
图6-14 可调式稳流电源电路整体电路原理图
对电路板进行实际测试，调节电位器，测试电流输出为0.79~49.3mA，设计要求输出电流为0.8~48mA，实测基本符合设计要求。
PCB版图
PCB版图如图6-15所示。
图6-15 PCB版图
实物测试
可调式稳流电源电路实物图如图6-16所示，可调式稳流电源电路测试图如图6-17所示。
图6-16 可调式稳流电源电路实物图
图6-17 可调式稳流电源电路测试图
思考与练习
（1）在设计可调式稳流电源电路时，为何选择场效应管而不选择三极管?
答：为了能够精确输出电流，通常使用场效应管来避免使用三极管时基极-发射极电流导致的输出电流误差。场效应管栅极不取电流，这样有助于提高恒流源的精度。
（2）如何对稳流电源电路进行稳流的验证?
答：为了对稳流电源电路进行验证，可在电路输出端串联阻值不同的电阻作为负载。观察当负载变化时，负载上通过的电流是否不变。若电流保持不变，则说明该电流源为稳流电源。