一种恒流负载电路和一种电子负载及相关系统的制作方法

本发明涉及电子测试仪器领域，特别涉及一种恒流负载电路和一种电子负载及相关系统。

背景技术

对dc/dc电源模块参数测试时，需要给被测电源输出规定的负载，负载可用电阻和恒流源来实现。用电阻做负载安全可靠，但输出电流会随输出电压变化，而且调整困难，不适合自动测试的要求；用有源恒流源做负载时，负载电流恒定，可编程控制，但恒流源在被测电源无输出时会出现与被测电源输出极性相反的电压，容易损坏被测电源模块。

可见，在对被测电源进行测试时，无论是用电阻做负载还是用恒流源做负载，都存在不足之处，不能满足电源安全测试的需要，无法实现负载电流的可编程控制，不能保证负载电流不随被测电源输出电压的变化而变化，既无法实现恒流。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种恒流负载电路和一种电子负载及相关系统。

第一方面，本发明实施例提供一种恒流负载电路，包括：主运算放大器、栅极驱动、mos器件和电流检测单元；

所述主运算放大器，同相输入端接地，反相输入端经输入电阻rs连接到第一da输出端及经反馈电阻rf连接到电流检测单元，输出端连接所述栅极驱动；

所述mos器件的栅极连接所述栅极驱动，漏极连接被测电源一极，源极连接电流检测单元；

所述电流检测单元一端接地，接地的一端连接所述被测电源的另一极。

在一些可选的实施例中，所述mos器件，包括：n沟道mos管mos1和p沟道mos管mos2，串联的二极管d1和d2；

所述mos1和所述mos2的栅极相连，且与所述栅极驱动连接；

所述mos1和所述mos2的源极相连，且与所述电流检测单元连接；

d1的负极与所述mos1漏极连接，d2的正极与所述mos2漏极连接，d1的正极与d2的负极相连，且与被测电源一极连接。

在一些可选的实施例中，所述第一da输出端包括：第一dac转换模块；

所述第一dac转换模块一端连接数字总线，另一端连接所述输入电阻rs。

在一些可选的实施例中，所述栅极驱动包括：

npn三极管、pnp三极管、电阻r3和电阻r4；

所述npn三极管的集电极和所述pnp三极管的集电极接地；

电阻r3一端与npn三极管的基极和pnp三极管的基极连接，另一端与所述主运算放大器的输出端连接；

电阻r4一端与npn三极管的发射极和pnp三极管的发射极连接，另一端与所述mos器件的栅极连接。

在一些可选的实施例中，所述恒流负载电路还包括跟随运放单元，用于将所述电流检测单元输入的电压升压、反相后输出。

在一些可选的实施例中，所述跟随运放单元包括：运算放大器u、反馈电阻r2和输入电阻r1；

所述运算放大器u的反相输入端通过反馈电阻r2与其输出端相连，同相输入端接地，输出端与反馈电阻rf连接；

所述输入电阻r1一端与所述电流检测单元连接，另一端与所述运算放大器u的反相输入端连接。

第二方面，本发明实施例提供一种电子负载，包括：

在一些可选的实施例中，包括：主运算放大器、栅极驱动、mos器件、电流检测单元、选通开关和开关控制单元；

所述主运算放大器，同相输入端接地，反相输入端经输入电阻rs连接到选通开关及经反馈电阻rf连接到电流检测单元，输出端连接所述栅极驱动；

所述mos器件的栅极连接所述栅极驱动，漏极连接被测电源一极，源极连接电流检测单元；

所述电流检测单元一端接地，接地的一端连接所述被测电源的另一极；

所述开关控制单元输入端连接被测电源、第二da输出端和第三da输出端，输出端根据输入端的输入信号控制所述选通开关连通开关控制单元的反馈通路或连通第一da输出端。

在一些可选的实施例中，所述第一da输出端包括第一dac转换模块，所述第一dac转换模块一端连接数字总线，另一端在所述开关控制单元控制下与所述选通开关连接或断开。

在一些可选的实施例中，所述开关控制单元包括：比较器和乘法器；

所述乘法器输入端分别连接第三da输出端和被测电源，输出端连接比较器；

所述比较器同相输入端连接第二da输出端，反相输入端连接乘法器，输出端连接选通开关。

在一些可选的实施例中，所述第二da输出端包括第二dac转换模块，所述第二dac转换模块一端连接数字总线，另一端连接所述比较器的同相输入端；

所述第三da输出端包括第三dac转换模块，所述第三dac转换模块一端连接所述数字总线，另一端连接所述乘法器。

在一些可选的实施例中，所述mos器件包括：n沟道mos管mos1和p沟道mos管mos2，串联的二极管d1和d2；

所述mos1和所述mos2的栅极相连，且与所述栅极驱动连接；

所述mos1和所述mos2的源极相连，且与所述电流检测单元连接；

d1的负极与所述mos1漏极连接，d2的正极与所述mos2漏极连接，d1的正极与d2的负极相连，且与被测电源一极连接。

在一些可选的实施例中，所述栅极驱动包括：

npn三极管、pnp三极管、电阻r3和电阻r4；

所述npn三极管的集电极和所述pnp三极管的集电极接地；

电阻r3一端与npn三极管的基极和pnp三极管的基极连接，另一端与所述主运算放大器的输出端连接；

电阻r4一端与npn三极管的发射极和pnp三极管的发射极连接，另一端与所述mos器件的栅极连接。

在一些可选的实施例中，所述电子负载还包括跟随运放单元，用于将所述电流检测单元输入的电压升压、反相后输出。

在一些可选的实施例中，所述跟随运放单元包括：运算放大器u、反馈电阻r2和输入电阻r1；

所述运算放大器u的反相输入端通过反馈电阻r2与其输出端相连，同相输入端接地，输出端与反馈电阻rf连接；

所述输入电阻r1一端与所述电流检测单元连接，另一端与所述运算放大器u的反相输入端连接。

第三方面，本发明实施例提供一种电源参数测试系统，包括：被测电源和上述任一所述的电子负载。

在一些可选的实施例中，所述开关控制单元判断所述被测电源的输出电压是否达到额定输出电压，在被测电源输出电压未达到额定输出电压时，控制所述选通开关连通开关控制单元的反馈通路；当被测电源输出电压达到额定输出电压时，控制所述选通开关，切换到连通第一da输出端。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

1、本发明实施例提供的恒流负载电路和电子负载，利用主运算放大器的输出控制mos器件的栅极电压，mos器件根据输入端的栅极电压来控制输出端的漏极电流，从而实现恒流负载。同时安全可靠，mos器件的漏极无偏置电源，电源由被测电源的输出提供，当被测电源无输出时，亦无负载电流和外部偏置电压，从而保护被测电源不会被损坏。

2、本发明实施例提供的恒流负载电路和电子负载，mos器件由n沟道的mos管、p沟道mos管、串联的二极管d1和d2组成，使得mos器件的漏极与被测电源的正极或负极连接均可，使用方便、安全。

3、本发明实施例提供的电子负载，当选通开关连接开关控制单元时，为恒阻电子负载；当选通开关连接第一da输出端时，mos器件的漏极向被测电源输出恒流负载，保护被测电源不被损坏。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例一中所述恒流负载电路图；

图2为mos管的v-i特性曲线图；

图3为本发明实施例一中所述恒流负载电路的具体实现电路图；

图4为本发明实施例二中所述电子负载的结构示意图；

图5为本发明实施例二中所述电子负载的具体实现结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种恒流负载电路和一种电子负载及相关系统，用于电源类器件测试时，能够实现恒流负载，保护被测电源不被损坏；同时安全可靠，无偏置电流，在被测电源无输出时，亦无负载电流和外部偏置电压。

实施例一

参照图1所示，本发明实施例一提供的恒流负载电路，包括：主运算放大器、栅极驱动、mos器件和电流检测单元；其中主运算放大器的同相输入端接地，反相输入端经输入电阻rs连接到第一da输出端及经反馈电阻rf连接到电流检测单元，输出端连接栅极驱动；mos器件的栅极g连接栅极驱动，漏极d连接被测电源一极，源极s连接电流检测单元；电流检测单元一端接地，接地的一端连接被测电源的另一极。

上述恒流负载电路利用主运算放大器的输出控制mos器件的栅极电压，mos器件根据输入端的栅极电压来控制输出端的漏极电流，从而实现恒流负载。其中，mos器件的漏极无偏置电源，电源由被测电源的输出提供，被测电源的电源由电源输出端提供；当电源输出端无输出时，被测电源无输出，mos器件亦无负载电流和外部偏置电压，从而保护被测电源不会被损坏。

根据mos器件在不同栅极电压控制下的v-i特性，对一个给定的漏极电压vd(约等于栅极电压vds)和漏极电流id，会存在一个对应的栅极电压vgs。参照图2所示，例如，设vd＝5v，id＝10a，对应的栅极电压vgs在5.0v到6v之间。mos器件的另一个特性是漏极电流id等于源极电流is，利用这个特性可以在mos器件的源极检测漏极电流id。

电流检测单元将电流is转换成电压，因为运算放大器的闭环控制特性，主运算放大器将电流检测单元输出的电压作为反馈量与设定的电压(第一da输出端输出的电压vda)运算，主运算放大器的输出控制mos器件的栅极电压变化，最终使漏极电流id稳定在设定值，并成为恒流状态。

这个恒流状态中的电流满足下面的公式：

id＝vda*(rf/rs)*b(1)

上式(1)中，参数b是电流检测单元的电压转换系数，是一个常量。电阻rf和rs也是常量，因此id只随vda变化。只要设定vda，就得到相对应的id，从而实现了id可编程控制。

对于被测电源不同极性输出要求的电流id极性不同的问题，只要选用相反极性的mos管，同时使vda的极性反转即可。

在一个实施例中，可以是，参照图3所示，上述mos器件包括：n沟道mos管mos1和p沟道mos管mos2，串联的二极管d1和d2；mos1和mos2的栅极g相连，且与栅极驱动连接；mos1和mos2的源极s相连，且与电流检测单元连接；d1的负极与mos1漏极d连接，d2的正极与mos2漏极d连接，d1的正极与d2的负极相连，且与被测电源一极连接。

当mos器件连接的是被测电源的正极时，经过d1的通导和d2的隔档作用，电流只在mos1流通，mos2在电路中断开连接，第一da输出端输出的电压vda为正，故mos1的漏极向被测电源输出负向恒流负载，此时，负载输出端1为低电势输出端，负载输出端2为高电势输出端；

当mos器件连接的是被测电源的负极时，经过d2的通导和d1的隔档作用，电流只在mos2流通，mos1在电路中断开连接，第一da输出端输出的电压vda为负，故mos2的漏极向被测电源输出正向恒流负载，此时，负载输出端1为高电势输出端，负载输出端2为低电势输出端。

上述负载输出端1可以为被测器件的输出管脚，相应的，负载输出端2为被测器件的地管脚。

本实施例提供的恒流负载电路，使用方便，mos器件的漏极与被测电源的正极或负极连接均可；在被测电源达到额定输出时，向被测电源输出恒流负载，保护被测电源不被损坏。

在一个实施例中，可以是，参照图3所示，第一da输出端包括第一dac转换模块；第一dac转换模块一端连接数字总线，另一端连接输入电阻rs。数字总线用于向第一dac转换模块发送数字信号，第一dac转换模块将来自数字总线的控制信号转换为一个模拟电压vda，主运算放大器根据第一dac转换模块输入的模拟电压vda和反馈电压进行运算，其输出通过栅极驱动控制mos器件的栅极电压的变化，从而控制mos器件的漏极输出恒流负载。

在一个实施例中，可以是，参照图3所示，栅极驱动包括：npn三极管、pnp三极管、电阻r3和电阻r4；npn三极管的集电极和pnp三极管的集电极接地；电阻r3一端与npn三极管的基极和pnp三极管的基极连接，另一端与主运算放大器的输出端连接；电阻r4一端与npn三极管的发射极和pnp三极管的发射极连接，另一端与mos器件的栅极连接。

由于通常情况下流经电流检测单元的电流is较小，故电流检测单元的转换电压visout值也较小，主运算放大器的计算精度会受到影响；还有电流检测单元输出的转换电压visout与第一da输出端输出的模拟电压vda相位是相反的。故在一个实施例中，可以是，参照图3所示，上述恒流负载电路还可以包括跟随运放单元，用于将电流检测单元输入的电压visout升压、反相后，输出vis。跟随运放单元可以包括：运算放大器u、反馈电阻r2和输入电阻r1；运算放大器u的反相输入端通过反馈电阻r2与其输出端相连，同相输入端接地，输出端与反馈电阻rf连接；输入电阻r1一端与电流检测单元连接，另一端与运算放大器u的反相输入端连接。

流经电流检测单元的电流符合下面公式：

上式(2)中，b为电流检测单元的电压转换系数，r1/r2、rf/rs是电阻比值，均为常量。因此i只随vda变化。只要设定vda，就得到相对应的i。

当vda＝0时，由运算放大器工作原理可推出：visout＝vf＝vdas＝0，其中，visout电流检测单元的转换输出电压，vf和vdas分别是电阻rf和rs两端的电压。当vda＝0时，rs和rf两端的电压也为0，也就是vis＝0，所以，visout也为0，因此推出电流i＝0。

例如电流检测单元为0～20a，当i＝+/-20a时，visout＝+/-4v(b＝0.2)，vda输出为0～+/-10v，选择合适的电阻r1、r2、rf、rs，使得i＝-/+vda*2。则，设定第一dac转换模块的输出电压vda，就可设定从-20a到+20a的恒定负载电流，设定精度主要取决于电阻精度和第一dac转换模块的位数。

实施例二

参照图4所示，本发明实施例二提供的电子负载，包括：主运算放大器、栅极驱动、mos器件、电流检测单元、选通开关和开关控制单元；主运算放大器的同相输入端接地，反相输入端经输入电阻rs连接到选通开关及经反馈电阻rf连接到电流检测单元，输出端连接栅极驱动；mos器件的栅极g连接栅极驱动，漏极d连接被测电源一极，源极s连接电流检测单元；电流检测单元一端接地，接地的一端连接被测电源的另一极；开关控制单元输入端连接被测电源、第二da输出端和第三da输出端，输出端根据输入端的输入信号控制选通开关连通开关控制单元的反馈通路或连通第一da输出端。

当选通开关连接开关控制单元时，本发明实施例提供的电子负载为恒阻电子负载；当选通开关连接第一da输出端时，工作原理如上述实施例一所述，mos器件的漏极向被测电源输出恒流负载。

在一个实施例中，可以是，第一da输出端包括第一dac转换模块，第一dac转换模块一端连接数字总线，另一端在开关控制单元控制下与选通开关连接或断开。

本实施例提供的电子负载，用于电源类器件测试时，能够在被测电源输出电压达到额定前输出恒阻负载、在被测电源输出电压达到额定后输出恒流负载，既使用方便，又能保护被测电源在测试时不会被损坏。

开关控制单元可以通过下述方式控制选通开关选择连接开关控制单元或第一da输出端：

在一个实施例中，可以是，参照图5所示，开关控制单元包括：比较器和乘法器；乘法器输入端分别连接第三da输出端和被测电源，输出端连接比较器；比较器同相输入端连接第二da输出端，反相输入端连接乘法器，输出端连接选通开关。

在一个实施例中，可以是，第二da输出端包括第二dac转换模块，第二dac转换模块一端连接数字总线，另一端连接比较器的同相输入端；第三da输出端包括第三dac转换模块，第三dac转换模块一端连接数字总线，另一端连接乘法器。

上述乘法器用于将第三dac转换模块输入的模拟电压vx和被测电源的输出电压vout相乘，并将结果vw输出；上述比较器用于比较第二dac转换模块输入的模拟电压vref和乘法器输入的vw，通过输出控制选通开关与第一dac转换模块的连接或断开。当被测电源输出vout由0伏到额定值变化时，流过负载电路的电流按下述公式：

i＝vw*a＝(vx*vout)*(rf/rs)*b公式(3)

上式(3)中，a和vx为常数，vout＝0时电流i＝0,随被测电源的输出电压升高，负载的输出电流增大。通过设定vx可改变电流变化幅度。

简化公式(3)得到：

i*a＝vout公式(4)

因此电流i和被测电流的输出电压vout符合欧姆定律：

r*i＝v公式(5)

当vw小于vref时，比较器通过输出，控制选通开关与第一dac转换模块处于断开状态，电子负载相当于一个电阻，为恒阻负载；当vw大于等于vref时，比较器输出反相，控制选通开关与第一dac转换模块处于连接状态，电子负载成为恒流状态；上述vref小于vda。

在一个实施例中，可以是，上述电子负载还可以包括跟随运放单元，用于将电流检测单元输入的电压升压、反相后输出。

上述跟随运放单元、mos器件和栅极驱动的具体实现结构在实施例一中已经详述过，此处不做赘述。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种电源参数测试系统，包括：被测电源和如实施例二所述的任一电子负载。

在一个实施例中，可以是，开关控制单元判断被测电源的输出电压是否达到额定输出电压，在被测电源输出电压未达到额定输出电压时，控制选通开关连通开关控制单元的反馈通路，电子负载向被测电源输出恒阻负载；当被测电源输出电压达到额定输出电压时，控制选通开关切换到连通第一da输出端，电子负载向被测电源输出恒流负载。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。