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电子负载mos管
电子负载mos管原理详解

直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)子负(fu)载是控制(zhi)功(gong)(gong)率(lv)MOS管(guan)(guan)的(de)(de)导通(tong)深(shen)度，靠(kao)功(gong)(gong)率(lv)管(guan)(guan)的(de)(de)耗(hao)散功(gong)(gong)率(lv)（发热(re)）消耗(hao)电(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)设备，它的(de)(de)基本工(gong)作(zuo)方式有恒(heng)压、恒(heng)流(liu)、恒(heng)阻、恒(heng)功(gong)(gong)率(lv)这几种(zhong)。下文讲述直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)子负(fu)载恒(heng)流(liu)模式原理。在恒(heng)流(liu)模式下，不管(guan)(guan)输(shu)入电(dian)(dian)压是否改变(bian)，电(dian)(dian)子负(fu)载消耗(hao)一个恒(heng)定(ding)的(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)。

一、功率MOS管的工作状态

电子(zi)负载是利MOS的线(xian)性区(qu)，当作可变(bian)(bian)电阻来(lai)用的，把电消耗掉。MOS管在(zai)恒(heng)流(liu)区(qu)（放(fang)大状(zhuang)态）内，Vgs一定时(shi)Id不随Vds的变(bian)(bian)化而(er)变(bian)(bian)化，可实现MOS管输(shu)出(chu)(chu)回路(lu)电流(liu)恒(heng)定。只(zhi)要改变(bian)(bian)Vgs的值(zhi)，即可在(zai)改变(bian)(bian)输(shu)出(chu)(chu)回路(lu)中恒(heng)定的电流(liu)的大小(xiao)。

二、用运放控制Vgs

采样电(dian)(dian)(dian)阻Rs、运(yun)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)构成一(yi)比较(jiao)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)大电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，MOS管输(shu)出(chu)(chu)回路(lu)(lu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)流经RS转换(huan)成电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)后，反(fan)馈(kui)到(dao)运(yun)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)反(fan)向端实(shi)现(xian)控制vgs，从而MOS管输(shu)出(chu)(chu)回路(lu)(lu)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)流。当给(ji)定(ding)一(yi)个电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)VREF时(shi)，如果Rs上的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)小于(yu) VREF，也就是 运(yun)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)的(de)(de)-IN小于(yu)+IN，运(yun)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)加(jia)大输(shu)出(chu)(chu)，使(shi)MOS导通(tong)程度加(jia)深，使(shi)MOS管输(shu)出(chu)(chu)回路(lu)(lu)电(dian)(dian)(dian)流加(jia)大。如果 Rs 上的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)大于(yu) VREF时(shi)，-IN大于(yu)+IN，运(yun)放(fang)(fang)(fang)(fang)(fang)减小输(shu)出(chu)(chu)，也就MOS管输(shu)出(chu)(chu)回路(lu)(lu)电(dian)(dian)(dian)流，这样电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)最终维(wei)持(chi)在(zai)恒(heng)定(ding)的(de)(de)给(ji)值(zhi)上，也就实(shi)现(xian)了恒(heng)流工作。

下面推导(dao)Id的表达(da)式：

Un=Is*Rs

Up=Un=Uref

Uref=Is*Rs

Is=Id-Ig

对于(yu)MOS管，其输入(ru)电阻很大，Ig近似为0，则：

Id=Is=Uref/Rs

由(you)此可(ke)知只要Uref不变，Id也不变，即(ji)可(ke)实现恒流(liu)输出(chu)。如果改变 UREF就可(ke)改变恒流(liu)值(zhi)，UREF可(ke)用电(dian)(dian)位(wei)(wei)器(qi)调节(jie)输入(ru)或用DAC芯片由(you)MCU控制输入(ru)，采用电(dian)(dian)位(wei)(wei)器(qi)可(ke)手(shou)动调节(jie)输出(chu)电(dian)(dian)流(liu)。若采用 DAC输入(ru)即(ji)可(ke)实现数控恒流(liu)电(dian)(dian)子(zi)负载。

三、实用的运放恒流电子负载

基(ji)本原理：MOS和电(dian)(dian)阻Rs组成(cheng)负反(fan)馈(kui)电(dian)(dian)路，MOS管工作在恒(heng)流区，运放同(tong)相端(duan)调(diao)节设定(ding)恒(heng)流值，MOS管的电(dian)(dian)流在电(dian)(dian)阻Rs上(shang)产生压(ya)(ya)降，反(fan)馈(kui)到运放反(fan)向端(duan)实现控(kong)制(zhi)输出电(dian)(dian)流。R1、U2构(gou)成(cheng)一2.5V基(ji)准(zhun)电(dian)(dian)压(ya)(ya)源，R2、Rp对这(zhei)2.5V电(dian)(dian)压(ya)(ya)分压(ya)(ya)得到一参考电(dian)(dian)压(ya)(ya)送入运放同(tong)相端，MOS管输出回路的电流Is经Rs转换成电压后，反馈到运放反向端实现控制vgs，从而控制MOS管输出回路的电流Is的稳定。电容C1主要作用有2个，一方面是消杂波，另一方面也是对运放输出的梯波进行补偿，使得电压变化速度减缓，尽量减少mosfet的G极电压高频变(bian)化引发振荡(dang)的可能。

下面给出各(ge)种(zhong)参数(shu)的(de)表达式：

Uref=2.5*（Rp’/(R2+Rp)）

其中(zhong)Rp’为Rp抽头对(dui)地的电阻

Is=Uref/RS=2.5*（Rp’/(R2+Rp)）/Rs

当Rp抽(chou)头在最上(shang)端时，Uref、Is有最大值

Urefmax=2.5*（Rp/(R2+Rp)）

Ismax=Urefmax/RS=2.5*（Rp/(R2+Rp)）/Rs

如果已知最(zui)大电流Is可用

Rs=Urefmax/RS=2.5*（Rp/(R2+Rp)）/Ismax

按(an)图(tu)中元件参数计算，可以得到

Urefmax=2.5*（4.7/(27+4.7)）=0.37v

Ismax=Urefmax/RS=2.5*( Rp/(R2+Rp)）/Rs = 2.5*（ 4.7/(27+4.7)）/0.1=3.7A

即(ji)图(tu)中电路最大恒流值(zhi)约为3.7A。

四、多MOS管并联

电子负载mos管是(shi)靠功率(lv)管的(de)耗散功率(lv)（发热）消耗电能的(de)，流(liu)(liu)(liu)经MOS管电流(liu)(liu)(liu)过大(da)会(hui)导致耗散功率(lv)过大(da)，容易烧(shao)坏MOS管。为此可以(yi)采用多管并(bing)联的(de)方式(shi)来均(jun)(jun)分电流(liu)(liu)(liu)。由于元(yuan)件具(ju)有离(li)散性和差异性，流(liu)(liu)(liu)经每个MOS管的(de)电流(liu)(liu)(liu)实(shi)际并(bing)不(bu)一致，可以(yi)在电路中加(jia)入均(jun)(jun)流(liu)(liu)(liu)电阻(zu)(zu)，图中R4、R5、R6、R7为均(jun)(jun)流(liu)(liu)(liu)电阻(zu)(zu)。注意(yi)，在这种电路中，按上文式(shi)子计算出来Rs是(shi)总电阻(zu)(zu)，Id是(shi)总电流(liu)(liu)(liu)。

其实上(shang)图是(shi)有缺陷的：一(yi)是(shi)不能(neng)很好解(jie)决每(mei)个MOS电流的不一(yi)致的问题，二是(shi)运放(fang)的输出能(neng)力有限，不能(neng)驱动多个MOS管。每(mei)个MOS管独(du)立用(yong)一(yi)套运放(fang)驱动即可解(jie)决。

在(zai)这一电路中，按(an)上文式子(zi)计算(suan)出来Rs是总电阻，Id是总电流。

电子负载mos管恒压、恒阻模式原理

恒压模式原理

在(zai)恒压(ya)模式下，电子(zi)负载将消耗足够的(de)电流来使输入(ru)电压(ya)维(wei)持在(zai)设定的(de)电压(ya)上(shang)。

电(dian)压(ya)(ya)工(gong)作模式的(de)(de)情况与电(dian)流模式相同,只不过(guo)检(jian)测的(de)(de)变量是输出电(dian)压(ya)(ya), 这一输出电(dian)压(ya)(ya)是经过(guo)电(dian)阻R1、R2分压(ya)(ya)得到的(de)(de)。检(jian)测出的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)（R14两端）被反馈到运放的(de)(de)同相输入端, MOS管再次工(gong)作在线性区。

如图所(suo)示，Vref为参考(kao)电(dian)压值(zhi)，Uf为功(gong)率控制(zhi)电(dian)路的反馈(kui)电(dian)压值(zhi)。

当Uf>Vref时，运放加大输出，MOS管导通程度加深，使得MOS管输出回路上的(de)电压下降；

当Uf<Vref时，运放减小输出(chu)，MOS管导(dao)通(tong)程度减小，使得MOS管输出(chu)回路上(shang)的电压升高(gao)，最终维持在一(yi)恒(heng)定的值。

通过改变(bian)Vref的值，可(ke)以(yi)使电压改变(bian)，并(bing)恒(heng)定。

恒压(ya)值(zhi)U=Vref *((R1+R2)/R2)

由Vref=Ur2=U *(R2/(R1+R2)) 可以推导出。

恒阻模式原理

在定电(dian)阻模式下，电(dian)子负载被等效(xiao)为一个恒定的电(dian)阻，电(dian)子负载会随着输(shu)入(ru)电(dian)压的改变(bian)来线性改变(bian)电(dian)流。

如图所示(shi)，Uin为外加信号，调节滑(hua)动变(bian)阻(zu)器R17设定阈值电压，当Uin改(gai)变(bian)时，负(fu)载R50上的电流也会随之线性变(bian)化(hua)；

因为U+ = U-

U+=Uin*R17下/（R16+R17）

U-=Iin*R50

所(suo)以Uin/Iin=R50*（R16+R17/R17下

可(ke)以看到输入电(dian)(dian)(dian)压与输入电(dian)(dian)(dian)流呈现线性变化，并(bing)可(ke)通过滑(hua)动变阻器R17手动设置(zhi)电(dian)(dian)(dian)阻值。

例如(ru)，Uin =3sin10t, R17下=20K,则Iin=3sin10t；

Uin =3sin10t, R17下=10K,则Iin=6sin10t；

固定(ding)滑动变阻器R17后，对应某一(yi)时刻而(er)言，电(dian)压的(de)变化，引起了电(dian)流(liu)的(de)变化，且其比值固定(ding)不变。

电子负载mos管应用

一般设计人员都(dou)用(yong)直流(liu)(liu)电(dian)子(zi)负(fu)(fu)载来测(ce)试电(dian)源(yuan)(yuan)(yuan), 如(ru)太阳能阵列(lie)或电(dian)池, 但商用(yong)直流(liu)(liu)电(dian)子(zi)负(fu)(fu)载很(hen)昂贵。其实只要将功率MOSFET在(zai)(zai)其线性区(qu)内使用(yong), 就可制作(zuo)出自己的(de)(de)(de)直流(liu)(liu)电(dian)子(zi)负(fu)(fu)载( 图(tu)1) 。该负(fu)(fu)载采用(yong)两个简单(dan)的(de)(de)(de)反馈回(hui)路。MOS管( IRF1502n2222a) 用(yong)作(zuo)一个稳(wen)(wen)流(liu)(liu)模(mo)式(shi)下的(de)(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)源(yuan)(yuan)(yuan)或稳(wen)(wen)压(ya)模(mo)式(shi)下的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)源(yuan)(yuan)(yuan)。设计人员在(zai)(zai)描述(shu)电(dian)压(ya)源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)特性时都(dou)使用(yong)稳(wen)(wen)流(liu)(liu)模(mo)式(shi), 因(yin)为在(zai)(zai)稳(wen)(wen)流(liu)(liu)模(mo)式(shi)下, 电(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)必须提(ti)供电(dian)子(zi)负(fu)(fu)载中设定(ding)(ding)的(de)(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)值。设计师都(dou)将稳(wen)(wen)压(ya)模(mo)式(shi)与电(dian)流(liu)(liu)源(yuan)(yuan)(yuan)一起(qi)使用(yong), 因(yin)为稳(wen)(wen)压(ya)模(mo)式(shi)会迫使电(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)在(zai)(zai)负(fu)(fu)载设定(ding)(ding)的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)下工作(zuo)。

图(tu)1 直流(liu)电子负载图

如图1所(suo)示, 在电流(liu)(liu)模(mo)式下, RSHUNT 检(jian)测I LOAD, 检(jian)测得到的电压反(fan)馈(kui)给运(yun)算放大(da)器(qi)IC1A的反(fan)相输入(ru)端。由于运(yun)算放大(da)器(qi)的直流(liu)(liu)增益在线(xian)性反(fan)馈(kui)工(gong)作区(qu)内很高(gao), 反(fan)相输入(ru)端保(bao)持(chi)与(yu)非反(fan)相输入(ru)端相等, 即(ji)相当(dang)于VIREF。放大(da)器(qi)产生自(zi)己(ji)的输出(chu)值, 以(yi)使MOSFETQ2和Q3 工(gong)作于线(xian)性区(qu), 因而会消耗电源(yuan)的功率。源(yuan)极电流(liu)(liu)值与(yu)电流(liu)(liu)环基准(zhun)VI REF成正(zheng)比,即(ji)ILOAD=VI REF/RSHUNT可利用一个(ge)连接到稳(wen)定电压基准(zhun)上的电阻分压器(qi)设定VIREF，VI REF, 或者(zhe)使用来(lai)自(zi)一个(ge)基于PC的(de)(de)I/O卡的(de)(de)D/A转换(huan)器输(shu)出(chu),以(yi)实现灵活的(de)(de)配(pei)置。电(dian)压(ya)工作模(mo)式的(de)(de)情况与电(dian)流模(mo)式相(xiang)同, 只不(bu)过(guo)检测的(de)(de)变(bian)量(liang)是输(shu)出(chu)电(dian)压(ya), 这一(yi)输(shu)出(chu)电(dian)压(ya)是经过(guo)分压(ya)器RA/ RB 衰(shuai)减的(de)(de), 所以(yi)电(dian)子负(fu)载的(de)(de)工作电(dian)压(ya)比(bi)运放电(dian)源电(dian)压(ya)高。

检测出(chu)的电(dian)(dian)(dian)(dian)压被反馈到IC1B的非反相输入端(duan), MOSFET再(zai)次工(gong)作(zuo)在线性区(qu)。负(fu)载电(dian)(dian)(dian)(dian)压VLOAD=VVREF×(RA+RB)/RB。CA3240型双(shuang)运放IC1可以(yi)(yi)(yi)在输入电(dian)(dian)(dian)(dian)压低于负(fu)电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压的情(qing)况(kuang)下工(gong)作(zuo), 这对(dui)单(dan)电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)供电(dian)(dian)(dian)(dian)非常有用(yong)(yong), 然而,如(ru)果有对(dui)称电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan),那就可以(yi)(yi)(yi)采用(yong)(yong)任何运放。继电(dian)(dian)(dian)(dian)器K1通过一根驱动Q1的数字控制线来切(qie)换(huan)工(gong)作(zuo)模式。MOSFET 是至(zhi)关(guan)重要的; 你(ni)可以(yi)(yi)(yi)增加这个(ge)并联使(shi)用(yong)(yong)的IRF150器件, 以(yi)(yi)(yi)提高电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)承受能力, 因IRF150 具有正(zheng)的温度系数, 从而可均衡流(liu)过两只(zhi)并联MOSFET的电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。由于电(dian)(dian)(dian)(dian)路中使(shi)用(yong)(yong)两只(zhi)MOSFET, 电(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)负(fu)载可承受10A电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu), 功耗大于100W, 所(suo)以(yi)(yi)(yi)使(shi)用(yong)(yong)一只(zhi)散热器和小(xiao)风扇是个(ge)好主意。

本电(dian)(dian)(dian)路适用(yong)于(yu)(yu)描述(shu)有两种(zhong)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)模式的(de)(de)光伏(fu)(fu)电(dian)(dian)(dian)池模块的(de)(de)特(te)性(xing)。采用(yong)本电(dian)(dian)(dian)路和基(ji)于(yu)(yu)PC的(de)(de)设置(zhi)时, Helios公司的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)种(zhong)光伏(fu)(fu)电(dian)(dian)(dian)池模块的(de)(de)I-V特(te)性(xing)曲线表明有一(yi)(yi)(yi)个区在(zai)VMPP ( 最高点的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)) 以上(shang), 在(zai)VMPP 这一(yi)(yi)(yi)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)下(xia)(xia), 陡峭的(de)(de)过渡(du)与(yu)一(yi)(yi)(yi)个电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)源(yuan)(yuan)相对(dui)应( 图2) 。在(zai)低(di)于(yu)(yu)VMPP的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)下(xia)(xia), 光伏(fu)(fu)电(dian)(dian)(dian)池模块犹(you)如一(yi)(yi)(yi)个电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)源(yuan)(yuan)。一(yi)(yi)(yi)般(ban)情况(kuang)下(xia)(xia), 用(yong)个简单的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)模式电(dian)(dian)(dian)子负载(zai)描述(shu)I - V 特(te)性(xing)曲线这一(yi)(yi)(yi)平坦区的(de)(de)特(te)性(xing)是(shi)很困难的(de)(de), 因为电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)输出(chu)对(dui)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)微小变化很敏感,因此, 恒定电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)模式负载(zai)就是(shi)一(yi)(yi)(yi)种(zhong)较好的(de)(de)选择(ze)。

图2  光伏(fu)电(dian)池模块(kuai)的I V特性曲(qu)线(xian)

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