如何通過運(yùn)算放大器和功率MOSFET構(gòu)建電流負(fù)載且設(shè)置成恒定電阻

作者：Konstantin Stefanov

本文所介紹的這種電流負(fù)載設(shè)計(jì)簡單而又準(zhǔn)確，它只需要使用一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)功率MOSFET就可以構(gòu)建，如圖1所示。

圖1：這種電流負(fù)載非常簡單，并聯(lián)多個(gè)MOSFET可以實(shí)現(xiàn)更大的電流和功耗。

流過Q1的電流可以通過下式求得：

這個(gè)電流可以通過改變參考電壓（VREF）輕松實(shí)現(xiàn)控制。運(yùn)算放大器應(yīng)具有低輸入失調(diào)電壓，并能采用單電源供電。

如果要使電路能夠吸收大電流或消耗數(shù)十瓦的功率，則可以使用一個(gè)運(yùn)算放大器來對多個(gè)并聯(lián)工作的MOSFET進(jìn)行控制。但是，簡單地并聯(lián)MOSFET會產(chǎn)生兩個(gè)不良影響。一方面，不同的晶體管，即使它們的型號相同，其導(dǎo)通閾值通常也有所不同，并且它們的閾值具有負(fù)溫度系數(shù)。也就是說，首先，每個(gè)晶體管的漏極電流之間可能存在很大的差異，一旦晶體管發(fā)熱，其閾值就會降低，這又會進(jìn)一步使電流增大而使之變得更熱。

為了使晶體管電流均衡，可以對每個(gè)晶體管的源極增加一個(gè)串聯(lián)的小電阻器。為了使其有效，必須使源極電阻兩端的電壓降與閾值相當(dāng)，這就會占用1V的很大一部分。這樣，均衡電阻就會消耗很大功率，其兩端的壓降也就會占用電路可工作的最小電壓。

一種建立大電流、高功率負(fù)載的更好的方法是對每個(gè)MOSFET進(jìn)行分別控制，這樣就能避免由于閾值散布而引起的電流不平衡。圖2所示的電路包含兩個(gè)這樣的電路塊，但也可以按需添加更多。在跳線J1閉合、J2斷開的情況下，電路以恒流模式工作，總負(fù)載電流由下式給出：

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

圖2：這種電流負(fù)載原理圖使用了兩個(gè)獨(dú)立控制的MOSFET。

要測量總負(fù)載電流，就需要對每個(gè)晶體管的電流進(jìn)行求和，在本例中可以通過對所有檢測電阻器的壓降進(jìn)行求和來實(shí)現(xiàn)。通常，這是由一個(gè)反相加法器后接一個(gè)反相器完成的，也即使用兩個(gè)運(yùn)算放大器來搭建。缺點(diǎn)是由于加法器輸出端會發(fā)生電壓反轉(zhuǎn)，因此這兩個(gè)運(yùn)放需要使用雙極性電源供電。

本設(shè)計(jì)實(shí)例使用了一種更簡單的方法來對電壓降進(jìn)行求和，那就是使用電阻R7和R8以及僅一個(gè)運(yùn)算放大器。這種加法的原理如圖3所示。N個(gè)電阻器中的每一個(gè)均由一個(gè)具有非常低阻抗的電壓源驅(qū)動(dòng)，也即本例中在檢測電阻器兩端施加壓降時(shí)所得到的結(jié)果。

圖3：這張圖說明了在VOUT處所實(shí)現(xiàn)的電壓求和。

如果VOUT端子沒有電流流出，則根據(jù)基爾霍夫定律可得：

因此：

在有兩個(gè)檢測電阻器的情況下，如圖2所示，U2A的同相輸入端的電壓是R2和R5兩端壓降之和的一半。在經(jīng)過2倍增益的U2A后，輸出電壓IMON就是兩個(gè)檢測電阻器電壓的總和，用它就可以監(jiān)視總負(fù)載電流的大小。通過并聯(lián)添加更多的基本模塊，就可以對電路進(jìn)行擴(kuò)展，然后針對模塊數(shù)量使用式3和式5，就可以計(jì)算出總負(fù)載電流，以及U2A放大之前的檢測電流輸出。為方便起見，對于三個(gè)電源塊的情況，可以使用一個(gè)四運(yùn)算放大器。

最后，可以將這個(gè)電流負(fù)載設(shè)置成恒定電阻，這在測試某些電源時(shí)就非常有用。其實(shí)現(xiàn)方法是提供一部分負(fù)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形成的分壓器所決定，因此負(fù)載電流變?yōu)椋?/p>

據(jù)此可知有效負(fù)載電阻RL為：

通過調(diào)節(jié)分壓比或用電位計(jì)代替R10，就可以將負(fù)載電阻從由式7計(jì)算得到的標(biāo)稱值（對于圖2中的值為2.55Ω）變?yōu)镽10=0時(shí)的接近無窮大。

Konstantin Stefanov是英國開放大學(xué)電子成像中心的高級研究員（Senior Research Fellow）。
編輯：hfy