徵求電子負載電路, 原理及計算公式

a752100

小弟因為工作需要設計一規格可達20V 5A電子負載, 電路如圖1由DAC輸出電壓到OPAMP +端, OPAMP輸出驅動N-MOSFET, R3取樣流過MOSFET的電流的壓降接到OPAMP -端, 此電路可以正常動作, 但是其公式是ID=VIN/R3, R3為0.01歐, 所以當VIN=50mV時, ID=0.05V/0.01歐=5A, 所以當VIN=5mV時, ID=500mA, 此電路的問題是用很低的電壓就可以控制大電流, 擔心電壓低容易受雜訊干擾, 所以希望將電路優化成VIN=2.5V, ID=5A.  在網路上有找到圖2的電路, 經過實驗量測當VIN=0.5V時, IS=433mA, 當VIN=0.6V時, IS=852mA, 也就是輸入的控制電壓與被控制的負載電流並非線性比例關係, 所以圖2電路我也無法應用. 在網路上還有找到這個電路(如何DIY有源電子負載), 但是實驗結果也並非如該文所述. 還請網上先進能提供建議以附合我需求用2.5V來控制5A的電子負載的電路, 提供適合的電路及計算公式, 感謝您.

專炸元件

用這張圖去試  

下面那個OPA是先把 Shunt電阻上的電壓放大 之後再回授給上面的OPA    電壓放大倍率先自己算算看   想想要如何改成適合自己應用的數值
上面的OPA是負責控制MOSFET 開啟程度     同相輸入端接參考電壓   反向輸入端接回授信號

TL431是給一個參考電壓    後面的OPA會依此參考電壓來調整流經的電流  

SIMON1016

R3 電阻很低 , 這條線路通常不存在雜訊問題 因為都被R3 低阻值負載效應吃了 ,
1. 該擔心是OPA 正負輸入信號地參考點 是否被 DUT 負載電流經R3 GND 共用路徑

2. 讓  OPA 輸入(+/-) 端 接近 +VCC / -VCC  容易導致OPA內部電路有偏壓失調
    你的OPA 單電壓供電  , 供電-VCC = GND
    你覺得下圖以UA741為例 , 此時輸入 +0.5V ,   IN+/-  到 -VCC 端  電晶體工作偏壓 可行否 ?


   因此建議給OPA 供電VCC- = -3V ~ -5V ; 這樣避開偏壓失調

3. 用2.5V來控制5A...
    改 R3 數值 即可

a752100

SIMON1016 發表於 2019-2-12 06:05 PM
R3 電阻很低 , 這條線路通常不存在雜訊問題 因為都被R3 低阻值負載效應吃了 ,
1. 該擔心是OPA 正負輸入信 ...

R3數值原則上不能改, 因為要留過5A, P=I^2 * R3 = 5^2 *0.01 = 0.25W, 也考慮電子負載要動作於0~20V, 如果R3改太大, 就無法動作於低電壓.

antlu

a752100 發表於 2019-2-12 10:17 PM
R3數值原則上不能改, 因為要留過5A, P=I^2 * R3 = 5^2 *0.01 = 0.25W, 也考慮電子負載要動作於0~20V, 如 ...

電子負載一般很少用在很低的電壓又要很高的電流(特殊情況例外),或許3.3V~20V 甚至 5~20V 這樣比較不會限制過多!! 電源供應也是依樣,印象上0~30V 3A 都還要在中段用繼電器來控制,提供你參考!!

a752100

專炸元件 發表於 2019-2-12 05:21 PM
用這張圖去試  

下面那個OPA是先把 Shunt電阻上的電壓放大 之後再回授給上面的OPA    電壓放大倍率先自 ...

我有實驗這個電路, 受限於我手上現有的零件限制, 我實驗的實際電路及數值如圖3, 圖中也標示各點的電壓值及流過MOSFET的電流, 根據我量測的數據似乎電路動作不是這麼一回事. 還是我哪裡有錯?

SIMON1016

先給OPA 正確負壓

a752100

antlu 發表於 2019-2-12 10:30 PM
電子負載一般很少用在很低的電壓又要很高的電流(特殊情況例外),或許3.3V~20V 甚至 5~20V 這樣比較不會限 ...

當VIN=5mV時, ID=500mA, 我是擔心因為VIN很低, 如果受雜訊干擾, 就會造成ID的變動. 實際應用是沒有一定要低到0V, 大約3V以上應該可以附合我的應用, R3如果改成0.1歐, 就可以用0.5V控制5A, R3壓降=5A*0.1歐=0.5V, 應該還可以接受, R3(PD)=5A^2*0.1歐=2.5W, 那R3就要改用3W的電阻. 附件是我prototype實際電路圖, 圖中LM4040C-2.5是2.5V參考電壓, MCP4726A0是DAC, OPAMP是用TLV271, 是支援單電源的rail to rail的OPAMP.
TLV27x CMOS RAIL TO RAIL OPAMP.pdf (608.05 KB, 下載次數: 16)

2019-2-13 10:48 AM 上傳

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電子負載控制.pdf (239.38 KB, 下載次數: 28)

2019-2-13 10:41 AM 上傳

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a752100

有先進前輩可以提供我這個電子負載電路的 Vadj 與流過MOSFET的電流的公式嗎?

jojoling

你如果想要的是精度要求的，元件等級誤差都需考慮~
例如檢流電阻。
另外運放你只是用 LM358/324等級，精度本來就普普通通~
另外lmc660 規格：
Low Input Offset Voltage: 3 mV  (Vos)
Ultra Low Input Bias Current: 2 fA (Ib)
這裏表示如果你的電路不靠軟體修正，它的誤差這裏就是這樣。
Vos 大，放大器放大10倍，這裏就最大有可能產生了30mV 的比樣信號。
要精密，如果不是高精度的元件，都是需要校正的。
Simon哥有提到加上小負壓的設計，在商用儀器都有這設計，主要都是為了線性度。
如果是扣除上述問題都解決掉時，還有有非線性的問題，另外還要加上2線/3線/4線檢流問題~
你的電路畫2線，那是理想上電路設計，實際上在導線上會有壓降產生，簡單的改善就是用3線式修正，直接從 opa 誤差放大器那的地直接到檢流電阻的地，或是這級改用差動放大。

總之，你的題目需要先訂下你需要的等級規格再說，不然應該都會討論失焦。

upchome

a752100 發表於 2019-2-13 10:56 AM
有先進前輩可以提供我這個電子負載電路的 Vadj 與流過MOSFET的電流的公式嗎?
...

Vadj(MAX)=2.5V*(4.7K(R12)/25K(R1)+18K(R2))
=2.5V*(4.7K/43K)=約0.25V(因R1可調)故
Vadj=0V~0.25V
Imos=0.25V/0.1Ω=2.5A(0~2.5A(MAX))
所以這是個4路2.5A的小型電子負載。
OP是561倍運算放大器。



補充內容 (2019-2-17 10:44 AM):
更正
因負回授是接到採樣電阻不是地端，OP放大率應為560倍。

duke83

a752100 發表於 2019-2-13 10:56 AM
有先進前輩可以提供我這個電子負載電路的 Vadj 與流過MOSFET的電流的公式嗎?
...

只要懂這電路的動作原理就能自己推算出公式，不用記或是背一輩子都不會忘。
基本上前面的定電流電路都是一樣的，電阻搭配的數值最好自己測試才能符合需求。

MOSFET 的電流在檢流電阻上形成電壓， OPA 與輸入電阻（R3）回授電阻（R20）構成反向放大器其電壓增益就是 560 倍，放大後的電壓在與調整電壓 Vadj 去比對大小來控制 MOSFET 的開關。
如果倍數太高就自己降低回授電阻的數值以符合 Vadj 電壓的範圍，所以簡單的計算公式就是 Vadj ÷ 放大倍率 = 檢流電阻的電壓，轉換成放電電流的公式就請自己推導。

單電源或 CMOS 的 OPA （LM358, LMC660）在此低電壓範圍是能正確工作，線性也不會太差一般需求精度夠了。
6 樓的實驗電路的問題應該就是 OPA 的正輸入端沒有串連輸入電阻造成 OPA 的輸入阻抗過低而不正常工作。
還有回授電阻上頭並聯一個小電容器那個元件也很重要，可以提高 OPA 工作的穩定性或消除高頻振盪，其數值跟電路板元件排列與佈線有關，正確的方式要用示波器看 OPA 輸出有無不穩定的動作此電容再由小而大的配置。
實際電路的排列與佈線也很重要，也可能線路沒問題是你的實驗電路才有問題，最好將你的實際電路照片貼上來才好說，不然不正常動作的可能原因有許多無法一一詳細說明。

duke83

重複發帖，請刪！

a752100

upchome 發表於 2019-2-13 12:40 PM
Vadj(MAX)=2.5V*(4.7K(R12)/25K(R1)+18K(R2))
=2.5V*(4.7K/43K)=約0.25V(因R1可調)故
Vadj=0V~0.25V

謝謝upchome的回應, 不過你的回應跟我實驗出來的結果不大match, 圖2是我實驗的電路及使用的元件及數值, 我實驗的結果在圖中有標示各點的電壓值, VIN=VFB, 當VIN=0.5V時, IS=433mA, 調整VIN到約0.6V時, IS=852mA, 大約是433mA的2倍, 因為VIN與IS的關係不是線性等比例關係, 所以我無法得知送多少VIN會得到多少IS, 所以這個電路無法拿來應用. 是我哪裡有做錯嗎?

upchome

a752100 發表於 2019-2-13 03:41 PM
謝謝upchome的回應, 不過你的回應跟我實驗出來的結果不大match, 圖2是我實驗的電路及使用的元件及數值,  ...

U1A的放大倍數不夠，10倍太小了，請加大R1，另外R2也太大，請降低看看。

a752100

upchome 發表於 2019-2-13 04:38 PM
U1A的放大倍數不夠，10倍太小了，請加大R1，另外R2也太大，請降低看看。

R1改為47K，R2改為330, 調整VR1, 當IS=100mA時, VIN=104mV, 當IS=200mA時, VIN=127mV, VIN與IS的關係仍不是線性等比例關係, 仍可維持VIN=VFB, 如果將R1改為100K, 就無法維持VIN=VFB, VIN=127mV時, VFB=136mV, VO=3.772V.

upchome

a752100 發表於 2019-2-13 05:30 PM
R1改為47K，R2改為330, 調整VR1, 當IS=100mA時, VIN=104mV, 當IS=200mA時, VIN=127mV, VIN與IS的關係仍不 ...

R1改為47K，還是太小，放大率越大越好。
您看上面的324電子負載是560K。
LMC660特性不錯，但是不知道，適不適合這個運用(非小信號)。

a752100

謝謝upchome的回應, 根據您在11樓的說明, IS只與VIN及R4有關, 與OPAMP的放大率無關, 所以跟R1, R3無關. 我實驗將R1改為47K，R2改為330, 調整VR1, 當IS=100mA時, VIN=104mV, V(R4)=22mV. 當IS=200mA時, VIN=127mV, V(R4)=44mV,  此時VIN=VFB, 但VIN與IS的關係不是線性等比例關係, 因為VIN與IS的關係不是線性等比例關係, 所以我無法得知送多少VIN會得到多少IS, 所以這個電路無法拿來應用. 實驗將R1改為100K, 就無法維持VIN=VFB, 此時VIN=127mV時, VFB=136mV, VO=3.772V, V(R4)=94mV, IS=420mA, 再將R1改為1M, VFB=139mV, IS=590mA, V(R4)=130mV, 放大R1的值可以增加OPAMP的放大率, 也可以增加IS, 但是我需要的是VIN與IS要有線性等比例的關係, 這樣我才能知道送多少VIN會得到多少IS, 才能正確控制電流.

a752100

SIMON1016 發表於 2019-2-12 06:05 PM
R3 電阻很低 , 這條線路通常不存在雜訊問題 因為都被R3 低阻值負載效應吃了 ,
1. 該擔心是OPA 正負輸入信 ...

SIMON大, 我不太理解 "1. 該擔心是OPA 正負輸入信號地參考點 是否被 DUT 負載電流經R3 GND 共用路徑", 方便再說明一下嗎?

ciko.ciko

a752100 發表於 2019-2-14 10:44 AM
SIMON大, 我不太理解 "1. 該擔心是OPA 正負輸入信號地參考點 是否被 DUT 負載電流經R3 GND 共用路徑", 方 ...

輸入信號若是一定要來自DAC,則電路的線性度可能需花許多時間調適,既然DAC可數位化,那也可將取樣電壓ADC化,再去控制DAC的輸出.

upchome

a752100 發表於 2019-2-14 09:58 AM
謝謝upchome的回應, 根據您在11樓的說明, IS只與VIN及R4有關, 與OPAMP的放大率無關, 所以跟R1, R3無關. 我 ...

基本上電子負載就是一個電壓對電流的轉換器，建議您一方面充實一下課本，一方面來談設計，才能抓住要點。
您現在問題很可能是MOS驅動不足，表現出來的就是非線性。
放大率跟穩定性很重要，當然跟R1, R3有關。

jojoling

a752100 發表於 2019-2-14 09:58 AM
謝謝upchome的回應, 根據您在11樓的說明, IS只與VIN及R4有關, 與OPAMP的放大率無關, 所以跟R1, R3無關. 我 ...

R1 電阻拿掉，此處應該是當比較器使用比較合理~

jojoling

我之前什麼都不懂電子負載的時後有花了點時間研讀了這篇文章，收獲不少。
http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=70999

antlu

我不知道為何要R1電阻!! 我以前自己做了一個電子負載,感覺上,電路不是很複雜!! 使用上有一些建議給你
1. 散熱很重要因為20V 5A 就是100W 而我們用的烙鐵40W已經很熱了!! 散熱片+風扇+功率晶體 三者不可廢.. 2. 瞬間電流也要考慮,印象上,有一次修好了線性電源供應30V3A 我就設定 30V3A 然後一輸出,結果功率晶體就掛了!! 你的電路使用4726 I2C控制最大的好處是可以程式控制,既然可以程式控制,就控制漸進式送出,如此可以避免瞬間大電流傷害電晶體. 3.負載輸出電壓檢出並且作比較設定控制,這一點對於電池放電很有用,因為,電池過放或造成電池損壞!!

CIKO老師建議ADC化很棒,這可以讓系統更為完善,但是會更複雜!!

upchome

antlu 發表於 2019-2-16 08:28 PM
我不知道為何要R1電阻!! 我以前自己做了一個電子負載,感覺上,電路不是很複雜!! 使用上有一些建議給你
1. 散 ...

加R1電阻的原因。
開環路增益
您的電源會被爆衝可能就是沒加的結果。

ciko.ciko

antlu 發表於 2019-2-16 08:28 PM
我不知道為何要R1電阻!! 我以前自己做了一個電子負載,感覺上,電路不是很複雜!! 使用上有一些建議給你
1. 散 ...

R1是當MOSFET的輸入電阻用途.

ciko.ciko

a752100 發表於 2019-2-14 09:58 AM
謝謝upchome的回應, 根據您在11樓的說明, IS只與VIN及R4有關, 與OPAMP的放大率無關, 所以跟R1, R3無關. 我 ...

當R4取樣電壓較低時,電路容易造成震盪現象,使得回路形成不穩定狀態,這可在R4兩端並聯一顆電容(如1UF),可讓電路更加穩定.

jojoling

ciko.ciko 發表於 2019-2-17 09:26 AM
R1是當MOSFET的輸入電阻用途.

報告老師~

R1用於mosfet應該加於 Vg 對 gnd 就足夠了，如圖所示會造成信號回授到了 V- (同時也經R3與R4)造成不必要的干擾 。
用於解決 。

jojoling

upchome 發表於 2019-2-16 09:44 PM
加R1電阻的原因。
開環路增益
您的電源會被爆衝可能就是沒加的結果。

此處應該是當比較器使用。
有的文章會提到 opa 可工作的頻率愈高，相對的開環增益也會高些。
開環增益愈高，表示當 V+/V-小小的差異，Vout 愈容易在短時間達到工作所要求的Vin+ or Vin-
以電路來看，R1 造成了Vout信號有了負回授回路。應該也會造成上述的優點消失。

a752100

jojoling 發表於 2019-2-14 08:23 PM
我之前什麼都不懂電子負載的時後有花了點時間研讀了這篇文章，收獲不少。
http://bbs.38hot.net/forum.php? ...

謝謝, 我會詳細看過