如何利用运算放大器和MOSFET构建电流负载

测试电源和电池需要电流负载，该电流负载能够吸收大电流并消耗大量功率。只需使用一个运算放大器和一个功率MOSFET就可以构建一个简单而准确的电流负载，如图1所示。

图1这种简单的电流负载和并联的MOSFET可用于更大的电流和功耗。

通过以下公式得出通过Q1的电流：

可以通过更改参考电压（VREF）轻松控制它。运算放大器应具有低输入失调电压，并能够通过单电源供电。

如果电路需要能够吸收大电流或消耗数十瓦的功率，则可以使用一个运算放大器来控制多个并联工作的MOSFET。但是，简单地并联MOSFET会产生两个不良影响。一方面，导通阈值通常在晶体管之间（即使是同一型号）也有所不同，并且它们的阈值具有负温度系数。这意味着开始时每个晶体管中的漏极电流之间可能会有很大的差异，一旦晶体管预热，其阈值就会降低，从而进一步增加电流并使之更热。

为了均衡晶体管电流，可以添加一个与每个晶体管的源极串联的小电阻器。为使此效果有效，源电阻两端的压降必须与阈值相当，这使其成为很大一部分电压。结果是均衡电阻会耗散大功率，并且它们两端的压降会消耗到电路可以工作的最小电压。

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建立高电流，高功率负载的更好方法是分别控制每个MOSFET，避免由于阈值扩展而引起的电流不平衡。图2示出了两个并联的这种电路块，但如果需要，可以添加更多的电路块。在跳线J1闭合且J2断开的情况下，电路以恒定电流模式工作，总负载电流由下式给出：

如果检测电阻相等（R2= R5= RS），则总负载电流为：

图2此电流负载原理图使用两个独立控制的MOSFET。

为了测量总负载电流，我们需要对每个晶体管的电流求和，在这种情况下，需要将所有感测电阻器的压降相加。通常，这是由一个反相加法器和一个由两个运算放大器构成的反相器完成的。缺点是由于加法器输出端的电压反转，它们需要双极性电源。

在本设计思想中，展示了一种使用电阻R7和R8以及仅一个运放的增加电压降的更简单方法。此添加的原理在图3中说明。N个电阻器中的每一个均由一个具有非常低阻抗的电压源驱动，这就是在感测电阻器两端施加的电压降得到的阻抗。

图3该图说明了VOUT处的电压求和。

如果没有电流从VOUT端子汲取，根据基尔霍夫定律，我们可以：

因此

对于两个检测电阻器，如图2所示，U2A的同相输入端的电压是R2和R5两端压降之和的一半。在通过U2A增益为2后，输出电压IMON是两个检测电阻器电压的总和，可用于监视总负载电流。通过并行添加更多基本模块，并通过使用带有模块数量的等式3和5，我们可以对电路进行扩展，我们可以计算总负载电流和通过U2A放大之前的电流检测输出。方便地，一个四运算放大器可与三个电源模块一起使用。

最后，可以使电流负载充当恒定电阻，这在测试某些电源时非常有用。这是通过提供一部分负载电压VL作为参考电压来实现的。在跳线J2进入（和J1离开）的情况下，U1A和U1B的同相输入端的电压由VL决定，分压器由R9和R10形成，因此负载电流变为：

从这里我们可以看到有效的负载电阻RL为：

通过调节分压比或用电位计代替R10，负载电阻可以从等式7计算得出的标称值（图2中的值为2.55Ω）变为R10= 0时的几乎无穷大。

康斯坦丁·斯特法诺夫（Konstantin Stefanov）是英国公开大学电子影像中心的高级研究员。

编辑：hfy