對(duì)電源和電池進(jìn)行測(cè)試,需要使用能夠吸收大電流并能消耗大量功率的電流負(fù)載。本文所介紹的這種電流負(fù)載設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jiǎn)單,并聯(lián)多個(gè)MOSFET可以實(shí)現(xiàn)更大的電流和功耗。
流過(guò)Q1的電流可以通過(guò)下式求得:
這個(gè)電流可以通過(guò)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(lái)對(duì)多個(gè)并聯(lián)工作的MOSFET進(jìn)行控制。但是,簡(jiǎn)單地并聯(lián)MOSFET會(huì)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(hào)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(shuō),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(huì)降低,這又會(huì)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(duì)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(huì)占用1V的很大一部分。這樣,均衡電阻就會(huì)消耗很大功率,其兩端的壓降也就會(huì)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(duì)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(kāi)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(cè)電阻的數(shù)值相等(R2=R5=RS),則總負(fù)載電流可以簡(jiǎn)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(cè)量總負(fù)載電流,就需要對(duì)每個(gè)晶體管的電流進(jìn)行求和,在本例中可以通過(guò)對(duì)所有檢測(cè)電阻器的壓降進(jìn)行求和來(lái)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(lái)搭建。缺點(diǎn)是由于加法器輸出端會(huì)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(jiǎn)單的方法來(lái)對(duì)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(cè)電阻器兩端施加壓降時(shí)所得到的結(jié)果。
圖3:這張圖說(shuō)明了在VOUT處所實(shí)現(xiàn)的電壓求和。
如果VOUT端子沒(méi)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(cè)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(guò)2倍增益的U2A后,輸出電壓IMON就是兩個(gè)檢測(cè)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(guò)并聯(lián)添加更多的基本模塊,就可以對(duì)電路進(jìn)行擴(kuò)展,然后針對(duì)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(cè)電流輸出。為方便起見(jiàn),對(duì)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(cè)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(kāi)),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(guò)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(duì)于圖2中的值為2.55Ω)變?yōu)镽10=0時(shí)的接近無(wú)窮大。