有用电子负载原理

有用电子负载原理 RUSER redacted on the night of December 17,2020

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*Rs

Up=Un=Uref

Uref=Is*Rs

Is=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构成一基准电压源，R2、Rp对这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=*（Rp’/(R2+Rp)）

其中Rp’为Rp抽头对地的电阻

Is=Uref/RS=*（Rp’/(R2+Rp)）/Rs

当Rp抽头在最上端时，Uref、Is有最大值

Urefmax=*（Rp/(R2+Rp)）

Ismax=Urefmax/RS=*（Rp/(R2+Rp)）/Rs

如果已知最大电流Is可用

Rs=Urefmax/RS=*（Rp/(R2+Rp)）/Ismax

按图中元件参数计算，可以得到

Urefmax=*（(27+）=

Ismax=Urefmax/RS=*( Rp/(R2+Rp)）/Rs = *（ (27+）/=

即图中电路最大恒流值约为。

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

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，U in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 +=U

in

*R

17下

/（R

16

+R

17

）

U -=I

in

*R

50

所以 U in /I in = R50 *（R16+R17）/ R17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，U

in =3sin10t, R

17下

=20K,则I

in

=3sin10t；

U in =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。