有用电子负载原理.doc
电子负载原理直流电子负载是控制功率 MOSFET 的导通深度，靠功率管的耗散功率（发热）消耗电能 的设备，它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种。下文讲述直流电子负载恒流模式原理。 在恒流模式下，不管输入电压是否改变，电子负载消耗一个恒定的电流。一、功率 MOS 管的工作状态? 电子负载是利用 MOS 的线性区，当作可变电阻来用的，把电消耗掉。MOS 管在恒流区（放大状态）内， Vgs一定时 Id 不随 Vds的变化而变化，可实现 MOS 管输 出回路电流恒定。只要改变 Vgs 的值，即可在改变输出回路中恒定的电流的大小。二、用运放控制 Vgs采样电阻 Rs 、运放构成一比较放大电路， MOS 管输出回路的电流经 RS 转换成电压后， 反馈到运放反向端实现控制 vgs ，从而 MOS 管输出回路的电流。当给定一个电压 VREF 时，如果 Rs 上的电压小于 VREF ，也就是 运放的-IN 小于+IN ， 运放加大输出，使 MOS 导通程度加深，使 MOS 管输出回路电流加大。如果 Rs 上的电压 大于 VREF 时，-IN 大于 +IN，运放减小输出，也就 MOS 管输出回路电流，这样电路最终维 持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。下面推导 Id 的表达式：Un=Is*RsUp=Un=UrefUref=Is*RsIs=Id-Ig对于 MOS 管，其输入电阻很大， Ig 近似为 0，则：Id=Is=Uref/Rs由此可知只要 Uref 不变，Id 也不变，即可实现恒流输出。如果改变 UREF 就可改变恒流值， UREF 可用电位器调节输入或用 DAC 芯片由 MCU 控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。若采用 DAC 输入即可实现数控恒流电子负载。三、实用的运放恒流电子负载基本原理： MOS 和电阻 Rs 组成负反馈电路， MOS 管工作在恒流区，运放同相端调节 设定恒流值， MOS 管的电流在电阻 Rs 上产生压降，反馈到运放反向端实现控制输出电流。R1、U2 构成一 2.5V 基准电压源， R2 、Rp 对这 2.5V 电压分压得到一参考电压送入运 放同相端，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 极电压高频变化引发振荡的可能。下面给出各种参数的表达式：Uref=2.5* (Rp /(R2+Rp) )其中 Rp 为 Rp 抽头对地的电阻Is=Uref/RS=2.5* (Rp/(R2+Rp) )/Rs当 Rp 抽头在最上端时， Uref 、 Is 有最大值Urefmax=2.5* ( Rp/(R2+Rp) )Ismax=Urefmax/RS=2.5* (Rp/(R2+Rp) )/Rs 如果已知最大电流 Is 可用Rs=Urefmax/RS=2.5* ( Rp/(R2+Rp) )/Ismax 按图中元件参数计算，可以得到Urefmax=2.5* ( 4.7/(27+4.7) )=0.37vIsmax=Urefmax/RS=2.5*( Rp/(R2+Rp) ) /Rs = 2.5* ( 4.7/(27+4.7) )/0.1=3.7A 即图中电路最大恒流值约为 3.7A 。四、多 MOS 管并联电子负载是靠功率管的耗散功率(发热)消耗电能的，流经MOS 管电流过大会导致耗散功率过大，容易烧坏 MOS 管。为此可以采用多管并联的方式来均分电流。由于元件具有 离散性和差异性，流经每个 MOS 管的电流实际并不一致，可以在电路中加入均流电阻，图 中 R4、R5、R6、R7 为均流电阻。注意，在这种电路中，按上文式子计算出来 Rs是总电阻， Id 是总电流。其实上图是有缺陷的：一是不能很好解决每个 MOS 电流的不一致的问题，二是运放的输出 能力有限，不能驱动多个 MOS 管。每个 MOS 管独立用一套运放驱动即可解决。在这一电路中，按上文式子计算出来 Rs 是总电阻， Id 是总电流。 附一：恒压模式原理在恒压模式下，电子负载将消耗足够的电流来使输入电压维持在设定的电压上。电压工作模式的情况与电流模式相同 , 只不过检测的变量是输出电压 , 这一输出电压是 经过电阻 R1、R2分压得到的。检测出的电压( R14两端)被反馈到运放的同相输入端 , MOS 管再次工作在线性区。如图所示， Vref 为参考电压值， Uf 为功率控制电路的反馈电压值。当 Uf>Vref 时，运放加大输出， MOS管导通程度加深，使得 MOS管输出回路上的电压下 降；当 Uf<Vref 时，运放减小输出， MOS管导通程度减小，使得 MOS管输出回路上的电压升 高，最终维持在一恒定的值。通过改变 Vref 的值，可以使电压改变，并恒定。恒压值 U=Vref *(R1+R2)/R2)由 Vref=Ur2=U *(R2/(R1+R2) 可以推导出。 附二：恒阻模式原理在定电阻模式下，电子负载被等效为一个恒定的电阻，电子负载会随着输入电压的改变 来线性改变电流。如图所示， Uin 为外加信号，调节滑动变阻器 R17 设定阈值电压，当 Uin 改变时，负载 R50上的电流也会随之线性变化；因为 U + = U-U+=Uin *R17下/ （R16+R17）U- =I in *R50所以 U in /I in = R50 * （R16+R17）/ R 17下 可以看到输入电压与输入电流呈现线性变化，并可通过滑动变阻器 R17 手动设置电阻 值。例如， Uin =3sin10t, R 17下=20K,则 I in =3sin10t ；Uin =3sin10t, R 17下=10K,则 I in =6sin10t ；固定滑动变阻器 R17 后，对应某一时刻而言，电压的变化，引起了电流的变化，且其比值固 定不变。
