基于功率MOS管恒流源电路的研究

基于功率MOS管恒流源电路的研究

彭志

广东美的制冷设备有限公司广东佛山528311

摘要：目前，国内在LED显示驱动领域存在着巨大的商机。况且恒流源驱动器作为高速发展的LED工作中的一个重要的基本驱动单元，发展速度越来越快，对性能的要求也越来越高。随着CMOS工艺的不断发展完善，电路所能达到的集成度也越来越高、电源电压和特征尺寸被不断减小，对于一些半导体企业是一个挑战，同时也是半导体产业的未来争取的一个重要的竞争的目标产业。

关键词：恒流源电路；基准电压；温度补偿系数

1功率MOS管的特性

功率MOSFET指具有垂直于芯片表面的导电路径的MOS场效应晶体管，习惯上称为VMOS。这种器件的源极和漏极分置于芯片的两个表面，因而具备短沟道，高电阻漏极漂移区和垂直导电电路等特点，从而提高了器件的耐压能力，电流处理能力和开关速度，使MOS器件从小功率范围跨进到大功率范围。功率MOSFET的优点主要包括：高输入阻抗，低驱动电流；开关速度快，高频特性好；负电流温度系数，热稳定性优良；安全工作区域大；高度线性化的跨导；理想的线性特性等。它的这些优点使得其在电力电子技术中的地位上长很快，应用很广。N沟道增强型功率MOSFET的符号及特征曲线如图所示。

由图可以看到，功率MOSFET在确定栅压VGS时，输出电流ID基本为一常量，而功率晶体管在确定基极电流下的输出电流还会随着电压的上升而增大，并未完全饱和，特别是在基极电流较大的时候，所以这个差别表明，功率MOSFET比功率晶体管更适合于作为恒流器件使用。

2基于功率MOS管恒流源电路

2.1Widlar带隙基准电压的恒流源。在这个电路中，整流管采用Linear公司生产的J500系列中的J502，它给Q1提供一个相对比较稳定的430μA电流，并获得一个稳定的开启电压，使电路带隙基准电压维持稳定。为了保证三个NPN三极管Q1、Q2、Q3是拥有相同的温度特性，电路选用集成三极管芯片系列CA3045。在室温25℃时，该恒流源电路拥有超级稳定的温度特性，会产生一个精确的1.22V的基准电压。采样电阻RS质量必须满足高精度、大功率、低温度系数、电阻值较小。在该恒流源电路中，我们采用0.47Ω、10W的精密金属膜电阻作为采样电阻。由于晶体管M4和M5组成的结构为电流镜结构，所以对电流源的要求为：Iout和Iin相等，这样工作点必须同时满足两个约束条件，也就是他们必然位于两条特性曲线的所在的交点位置，即要求：Iout和Iin的交点处位置，除了晶体管受到有限输出电阻的影响外，这样所产生的偏执电流就会与电源电压无关。

2.2由集成稳压芯片与功率MOS管构建的恒流源。集成稳压芯片与功率MOS管的组合在恒流源应用中是非常常见的，电路采用MAXIM的低功耗、集成稳压芯片MAX6160作为提供MOS管的栅极电压。采用集成稳压芯片作为基准电压，得到的基准电压更加精确，并且恒流源电路的温度系数更加稳定。不过集成芯片制作工艺要求更高，所以这个电路比起上面介绍的几个电路成本要略高些。在实际电路中，可以通过调节电阻值R1和R2的比例，来调节集成稳压芯片的输出，从而达到控制输出电流的大小，这里输出电流一般能达到100mA到nA。一旦R1和R2的电阻值被确定，那么集成稳压芯片的输出值也可以确定，那么功率MOS管会得到一个稳定的栅电压。在该电路中，可以将一个电阻固定不变，另外一个电阻则采用电位器，这样就可以通过调节电位器来改变参考电压的值，从而改变恒流源的输出电流。功率MOS管的选择需要根据电源电压和期望输出电流值来确定。假如电路电源电压UVCC为12V，额定输出为4A，那么要选择的功率MOS管需满足以下条件：①额定电流至少有6A；②U(BR)DSS≥18V。通过查阅元器件的规格书，该电路选定了MTP-3055V作为功率mos管，MTP3055V特性如下：在室温25℃时，U(DSS)≤60V，I(D)≤12A，RDS(ON)=150mΩ。

2.3用集成稳压芯片、运算放大器和功率MOS管搭建的大功率、大电流恒流源即使集成稳压芯片提供的参考电压是非常稳定的，但是通常在实际恒流源电路都会用运算放大器来对其缓冲，在集成稳压芯片输出端和功率MOS管的栅极之间加了一个运算放大器，同时将采样电阻RS产生的反馈信号接入运放的反相端，这样就形成了一个闭环负反馈，使电路达到一种动态平衡。通过设定采样电阻RS上的电压来调节所需要的输出电流。由运放虚短与虚断特性，可以得到：

电路中，在运放输出和功率MOS管栅极G之间还加了一个独立的电阻，在实际绘制电路板时使电阻尽可能地靠近功率MOS管栅极。另外运算放大器需要选择单电源、低失调电压、高精度的。如果想得到更大的输出电流，可以通过并联功率MOS管的方式来获得，该电路中通过场效应管的并联，可以得到二十安培左右甚至更高的恒定电流输出。由于输出电流比较大，在功率MOS管上产生的热量较高，因此需要在功率MOS管上加一个散热比较好的散热片。

3实验结果分析

3.1Widlar带隙基准电压的恒流源实验结果及其分析测试电路，供电电压UVCC为30V，功率MOS管Q4采用MTP60NO6MD，电流输出随负载测试结果，根据测试结果绘制的电流输出随负载变化曲线图如图所示。

3.2用集成稳压芯片、运算放大器和功率MOS管搭建的恒流源实验结果及其分析测试电路，供电电压UVCC为27V，运放采用MAX495，功率MOS管采用ATP5010LVR，取R2=1kΩ，实际电路中只需通过调节R1就可以改变改变输出电流的大小。表3为功率MOS管并联前电流输出测试结果，根据测试结果绘制的并联前电流输出曲线图，由实验可以得知，此电路能达到15A左右的恒流输出。功率MOS管并联后的电路输出测试结果，其中I1、I2分别为功率MOS管的输出电流，且由电路容易得知Id=I1+I2，并联后电流输出曲线图由以上实验结果可以得知，并联后能够得到的输出电流要大于并联前的输出电流（其中并联前输出可以达到15A左右，并联后输出为22A左右），这是因为并联功率MOS管可以起到很好的分流作用，这样就可以减少单个功率MOS管的功耗，从而保证MOS管的正常工作。此方案适应于大电流输出恒流源驱动系统。

基于功率MOS管的恒流源电路，介绍并分析恒流源电路，由分析可知采用功率mos管的恒流源电路具有恒流精度高、稳定性好、能实现大电流输出的优点。

参考文献：

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[2]卫永琴，高建峰.一种恒流源电路的巧妙设计[J].仪器仪表学报，2016，27（9）：2.

[3]秦玲，张良，赖青贵.基于功率运算放大器的恒流源技术研究[J].通信电源技术，2017，24（1）：43-46.