一、恒流二極管（CRD）的直流特性與交流限制

1. 核心矛盾：單向導電性與交流雙向性

• 單向導電性：
  CRD本質為單向PN結器件（類似二極管），僅在正向偏置（陽極電壓>陰極電壓）時導通并恒流，反向偏置時截止（反向電流<1μA）。

• 交流信號阻斷：
  若直接接入交流信號（如市電220V/50Hz），CRD僅在正半周導通，負半周完全截止，輸出電流為半波脈動直流（非正弦交流），且存在50Hz周期性斷流。

2. 動態響應缺陷

• 交流頻率限制：
  CRD的結電容（典型值0.5~2pF）與反向恢復時間（>100ns）導致其無法響應高頻交流信號（如>10kHz）。

• 對比示例：

• 直流場景：驅動LED（電流紋波<5%，頻率0Hz，完全適用）。

• 交流場景：驅動電磁閥（需50Hz正弦電流，CRD輸出為半波直流，無法滿足）。

二、CRD構建交流恒流源的3種失敗方案與原理

方案1：全波整流+CRD（偽交流恒流）

• 電路：交流輸入→全波整流橋→CRD→負載。

• 失效原因：

• 輸出電流為饅頭波直流（脈動頻率100Hz），非正弦交流。

• 負載兩端存在直流偏置（如100Ω電阻負載，壓降含>2V直流分量），可能損壞純交流負載（如變壓器、電容濾波電路）。

方案2：雙CRD反并聯（理論可行但工程災難）

• 電路：兩只CRD陽極對陽極串聯，反向并聯于交流電源。

• 失效原因：

• 電流一致性失控：正負半周電流由不同CRD提供，但器件間存在±5%離散性，導致正負半周電流不對稱（如正半周560μA，負半周590μA）。

• 溫漂疊加：正負半周電流隨溫度反向漂移（如+0.4%/℃），加劇不對稱性。

• 散熱難題：兩只CRD需獨立散熱，否則溫升差異導致電流進一步失配。

方案3：CRD+運算放大器（復雜且不穩定）

• 電路：交流信號→運放→CRD→負載，通過運放反饋控制電流。

• 失效原因：

• 帶寬不足：通用運放帶寬<1MHz，無法跟蹤市電（50Hz）基波和諧波（如3次諧波150Hz）。

• 相位失真：運放相位延遲導致電流滯后電壓，功率因數<0.5。

• 成本失控：需±15V雙電源、高精度采樣電阻（0.1%精度），BOM成本>10元（CRD僅0.2元）。

三、交流恒流源的正確實現路徑（替代方案）

方案1：電流互感器+恒流控制環（工業級首選）

• 電路：
  交流輸入→電流互感器（采樣負載電流）→誤差放大器→PWM控制器→MOSFET→負載。

• 優勢：

• 雙向恒流：通過互感器采樣電流，PWM閉環控制實現正負半周電流對稱。

• 寬頻響應：帶寬可達100kHz，適應50Hz~400Hz交流負載。

• 高精度：電流精度<±0.5%，溫漂<±50ppm/℃。

• 典型應用：
  電磁加熱、電鍍電源、LED調光（需正弦電流）。

方案2：專用恒流IC（消費級高集成方案）

• 器件推薦：

• TI UCC28950：PFC+恒流二合一控制器，支持100W交流恒流輸出。

• Infineon ICE3PCS01G：內置電流環，驅動電磁閥等感性負載。

• 優勢：

• 單芯片方案：集成采樣、運算、驅動，PCB面積<1cm2。

• 保護完備：含過流、過壓、短路保護。

• 成本對比：

• 方案BOM成本約3~5元（含IC、電感、采樣電阻），較CRD方案增加10倍，但性能提升50倍。

方案3：線性交流恒流電路（低成本替代）

• 電路：
  交流輸入→橋式整流→電解電容濾波→高精度運放（如OPA277）→JFET恒流鏡→負載。

• 關鍵設計：

• JFET恒流鏡：用兩只JFET（如2N5457）組成電流鏡，正負半周對稱性>99%。

• 運放補償：通過運放調整JFET柵極電壓，補償電源電壓波動。

• 局限性：

• 僅適用于小功率（<1W）、低頻（<1kHz）場景。

• 需大容量電解電容（>1000μF）濾波，體積較大。

四、CRD在交流場景中的妥協性應用

場景1：交流負載的直流偏置控制

• 案例：
  驅動電磁閥時需在交流信號上疊加直流分量（如100mA DC + 50mA 50Hz AC），可用CRD提供直流分量，交流分量由其他電路疊加。

• 電路：
  交流輸入→變壓器→CRD（提供直流偏置）→耦合電容（隔離直流）→負載。

場景2：交流信號的限流保護

• 案例：
  保護示波器探頭免受高壓交流信號損壞，可用CRD限制探頭電流（如500μA）。

• 電路：
  交流信號→CRD→示波器輸入端，CRD反向并聯TVS二極管吸收瞬態高壓。

五、終極結論：CRD與交流恒流源的不可調和矛盾

核心建議：

1. 放棄CRD直接用于交流恒流源：其單向性、動態響應和電流對稱性缺陷無法通過簡單電路克服。

2. 選擇專用方案：

• 工業場景：電流互感器+PWM控制器（如UCC28950）。

• 消費場景：專用恒流IC（如ICE3PCS01G）。

• 低成本實驗：線性交流恒流電路（JFET+運放）。

3. 保留CRD在交流場景的邊緣價值：如直流偏置控制、限流保護等非核心功能。

工程化原則：“以應用場景定義技術路線，避免因器件特性誤用導致設計返工”，CRD的正確歸宿是直流恒流，而非強求其適應交流。