利用可擴展電流負載提供恆定電阻模式

作者 : Konstantin Stefanov,英國公開大學(The Open University)電子影像中心資深研究員

對電源和電池進行測試,需要使用能吸收大電流並能消耗大量功率的電流負載。本文所介紹的這種電流負載設計簡單而又準確,它只需要使用一個運算放大器和一個功率MOSFET就可以建構,且這個電流可以利用改變參考電壓輕鬆實現控制…

對電源和電池進行測試,需要使用能吸收大電流並能消耗大量功率的電流負載。本文所介紹的這種電流負載設計簡單而又準確,它只需要使用一個運算放大器和一個功率MOSFET就可以建構,如圖1所示。

圖1 這種電流負載非常簡單,並聯多個MOSFET即可實現更大的電流和功耗。

流過Q1的電流可以透過公式(1)求得:

這個電流可以利用改變參考電壓(VREF)輕鬆實現控制。運算放大器應具有低輸入失調電壓,並能採用單電源供電。

如果要使電路能夠吸收大電流或消耗數十瓦的功率,則可以使用一個運算放大器來對多個並聯工作的MOSFET進行控制。但是,簡單地並聯MOSFET會產生兩個不良影響,一方面,不同的電晶體,即使它們的型號相同,其導通閾值通常也有所不同,並且它們的閾值具有負溫度係數。也就是說,首先,每個電晶體的汲極電流之間可能存在很大的差異,一旦電晶體發熱,其閾值就會降低,這又會進一步使電流加大而使之變得更熱。

為了使電晶體電流均衡,可以對每個電晶體的源極增加一個串聯的小電阻。為了使其有效,必須使源極電阻兩端的電壓降與閾值相當,這就會佔用將近1V的電壓。如此,均衡電阻就會消耗很大功率,其兩端的壓降也就會佔用電路可工作的最小電壓。

一種建立大電流、高功率負載的更好的方法是對每個MOSFET進行分別控制,這樣就能避免由於閾值散佈而引起的電流不平衡。圖2所示的電路包含兩個這樣的電路塊,但也可以依需求添加更多。在跳線J1閉合、J2斷開的情況下,電路以恆流模式工作,總負載電流由公式(2)給出:

圖2 這種電流負載原理圖使用了兩個獨立控制的MOSFET。

如果檢測電阻的數值相等(R2 = R5 = RS),則總負載電流可以簡化為:

測量總負載電流,就需要對每個電晶體的電流進行求和,在本例中可以透過對所有檢測電阻的壓降進行求和來實現。通常,這是由一個反相加法器後接一個反相器完成,亦即使用兩個運算放大器來搭建。缺點是由於加法器輸出端會發生電壓反轉,因此這兩個運算放大器需要使用雙極性電源供電。

本設計實例使用了一種更簡單的方法來對電壓降進行求和,那就是使用電阻R7和R8,以及僅一個運算放大器,這種加法的原理如圖3所示。N個電阻中的每一個皆由一個具有非常低阻抗的電壓源驅動,也就是本例中在檢測電阻兩端施加壓降時所得到的結果。

圖3 這張圖說明在VOUT處所實現的電壓求和。

如果VOUT端子沒有電流流出,則根據基爾霍夫(Kirchhoff)定律可得到:

因此:

在有兩個檢測電阻的情況下,如圖2所示,U2A同相輸入端的電壓是R2和R5兩端壓降和的一半。在經過兩倍增益的U2A後,輸出電壓IMON就是兩個檢測電阻電壓的總和,用它就可以監視總負載電流的大小。透過並聯添加更多的基本模組,就可以對電路進行擴展,然後針對模組數量使用公式(3)和公式(5),就可以計算出總負載電流,以及U2A放大之前的檢測電流輸出。為方便起見,對於三個電源塊的情況,可以使用一個四路運算放大器。

最後,可以將這個電流負載設置成恆定電阻,這在測試某些電源時就非常有用。其實現方法是提供一部分負載電壓VL作為參考電壓,將跳線J2閉合(J1斷開),U1A和U1B的同相輸入端的電壓就由VL和由R9和R10形成的分壓器決定,因此負載電流變為:

據此可知有效負載電阻RL為:

透過調節分壓比或用電位計代替R10,就可以將負載電阻從由公式(7)計算得到的標稱值(圖2中的值為2.55Ω)變為R10 = 0時的接近無窮大。

(參考原文:Scalable current load offers constant resistance mode,by Konstantin Stefanov)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

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