大功率負壓數控恆流模塊的製作方法

2023-06-02 13:03:51

專利名稱：大功率負壓數控恆流模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型屬功率ASIC技術領域，尤其涉及一種大功率負壓數控恆流模塊。
背景技術：
數控恆流模塊是在傳統恆流器件無法替代的條件下提出研究的，它是一種以數字 信號控制輸出電流為特徵的恆流模塊。它不僅輸出電流可調範圍寬、允許工作電壓變化範 圍大、電路接口與TTL兼容，而且體積小、調節方便，具有優良的電性能。可廣泛應用於傳統 恆流器件無法涉足的技術領域，在數字電路技術應用中具有獨特的優勢。盛法生等公開了一種DCM02型恆流模塊(盛法生，範雅俊，呂品楨.DCM02型數控 恆流器件的設計分析[J].杭州大學學報(自然科學版)，1997,24( 125-132)，該器件偏 置電壓與TTL兼容，具有高效率、使用方便等特點。盛法生等公開了一種數控恆流器件(盛法生，範雅俊，畢淨.一種採用數位訊號控 制的高穩定性恆流器件[J].儀器儀表學報，1999，20 (3) :225-2 )，採用模塊化結構，功耗 低，體積小，且具有優良的電性能。上述器件的應用是在正電壓情況下工作的，不能在負電壓情況下工作，而且沒有 解決數字電路部分與模擬電路部分的有效隔離。
發明內容本實用新型提供了一種可靠性高、體積小、功耗低和易調節的大功率負壓數控恆 流模塊。—種大功率負壓數控恆流模塊，包括D/A轉換晶片、光電隔離器、運算放大器、反 饋單元VMOS場效應管，輸入的數位訊號依次經D/A轉換晶片和光電隔離器轉換後輸入運算 放大器的正相端，反饋單元將VMOS場效應管的柵極電壓和源極電壓反饋至運算放大器的 負相端，運算放大器比較運算後輸出控制信號至VMOS場效應管的柵極，控制VMOS場效應管 的漏極輸出恆定電流。所述的D/A轉換晶片採用串行數位訊號輸入，外接第十電阻，進行第一級線性修 正。所述的光電隔離器輸出端和運算放大器正相端設有線性修正單元，所述的線性修 正單元由第二電阻、第八電阻、第九電阻和第一電阻組成，第九電阻與第一電阻並聯，並聯 後的阻值與第二電阻串聯，串聯後的阻值與第八電阻並聯，該修正單元對恆流模塊進行第 二級線性修正。上述恆流模塊還包括連接VMOS場效應管源極的第七電阻，調節第五電阻的反饋 電壓，連接運算放大器輸出端的第六電阻；第六電阻、第七電阻、第一電阻、第八電阻和第九 電阻連接共同結點。所述的反饋單元包括並聯的第四電阻和第五電阻，第四電阻和第五電阻一端共同 連接運算放大器的負相端，另一端分別連接VMOS場效應管的柵極和漏極，對恆流模塊進行第三級線性修正。本實用新型還提供了上述大功率負壓數控恆流模塊在功率集成電路中的應用。本實用新型恆流模塊通過應用光電隔離器，確保數字電路與模擬電路的有效隔 離，同時應用了三級線性修正，第一級修正在D/A轉換電路中，其線性修正確保步距電流的 線性和D/A轉換的高精度；第二級線性修正是保證光電轉換後的線性輸出，第三級修正是 保證VMOS管的線性輸出。本實用新型恆流模塊的模擬電路部分在負電壓下工作，起始電壓低，電流可調範 圍寬、電路接口與TTL兼容、可靠性高、體積小、功耗低、易調節。該模塊可應用於計算機控 制，機器人，光纖通信，軍事裝備，智能化儀器儀表及其它自動化控制等方面。

圖1為本實用新型恆流模塊的模塊結構圖；圖2為本實用新型恆流器的電路原理圖；圖3為本實用新型恆流模塊的伏安特性圖；圖4為本實用新型恆流模塊控制信號時序圖；圖5為本實用新型恆流模塊IObit輸入與輸出對應關係圖。
具體實施方式
如圖所示，一種大功率負壓數控恆流模塊，包括D/A轉換晶片U1、光電隔離器U2、 運算放大器A、反饋單元B和VMOS場效應管VT。輸入的數位訊號依次經D/A轉換晶片U1、 光電隔離器U2轉換輸入運算放大器A的正相端，反饋單元將VMOS場效應管VT的柵極電壓 和源極電壓反饋至運算放大器A的負相端，運算放大器A比較運算後輸出控制信號至VMOS 場效應管VT的柵極，控制VMOS場效應管VT的漏極輸出恆定的電流。D/A轉換晶片採用串行數模轉換，外連電阻RlO使得D/A基準電源可調。D/A轉換 晶片Ul在時鐘脈衝作用下，輸入的數位訊號通過移位寄存器逐位讀入，在兩個鎖存脈衝間 隔輸入10個時鐘周期脈衝，鎖存10位數位訊號並完成D/A轉換，D/A轉換後的模擬信號與 基準電源進行比較後輸入光電隔離器U2。光電隔離器U2的輸出端和運算放大器A的正相輸入端之間連接線性修正單元，該 線性修正單元由電阻R2、電阻R8、電阻R9和電阻Rl組成，其中電阻Rl和電阻R9並聯的阻 值與電阻R2串聯，串聯的阻值與R8並聯。通過調整電阻R9的阻值，使得光電隔離器U2的 輸出保持線性變化，電阻R3對應電阻Rl設置，連接運算放大器A的負相端。反饋單元採用增大反饋、降低功率損耗的放大分壓電路；它由電阻R4和電阻R5組 成，電阻R4兩端分別連接運算放大器A的負相端和輸出端，電阻R5兩端分別連接運算放大 器A的負相端和VMOS場效應管VT的源極。VMOS場效應管VT為N溝道型，具有阻抗高、驅動電流小、跨導大、導通電阻低以及 不存在二次擊穿等優點，確保模塊輸出電流恆定。為使VMOS場效應管VT柵極電壓穩定，在運算放大器A的輸出端連接電阻R6，為反 饋調節的需要，在MOS場效應管VT的源極連接電阻R7。電阻R7、電阻Rl、電阻R6、電阻R8 和電阻R9共同端連接電源Vss，負載Rf —端連接VMOS場效應管VT的漏極，另一端接地。電阻R7、電阻R9和電阻RlO為可調電阻。圖3為VMOS場效應管VT的漏極輸出伏安特性圖，由圖可以看出當加載電壓大於 一定數值，輸出電流始終恆定不變，不隨負載變化而變化，輸出電流的解析度取決於D/A 轉換晶片的輸入位數。圖5為上述恆流模塊IObit輸入與輸出對應關係圖，表明本實施例模塊輸出電流 I0隨數位訊號的變化而變化，且兩者之間呈線性關係。其輸出電流與數位訊號量輸入之間 的關係定義為I0 = K. Ieef. D2(1)I0-模塊輸出電流，D- 二進位數字量，K-修正係數，Ieef-基準電流，其中K，Ieef 也是二進位轉化為十進位的修正係數，式(1)可寫為I0 = K. Ieef.......+Bm-Pm-1) (2)以數位訊號輸入解析度lObit，最大輸出電流為3A為例，K. IKEF = 2.93，則由式⑵ 得數字量與模擬量的對應關係為I0 = 2. 93 (a02°+a121+a222+a323+a424+a525+......+a929) (mA) (3)式(3)中2. 93mA就是本實施例大功率負壓數控恆流模塊最小可控電流，並在實施 中做到數字量與模擬量一一對應，且保持高精度，即輸出電流在0 IOM級數位訊號輸入 控制範圍內從0 3A範圍內分IOM級變化，起始電壓彡-0. 5V，電流穩定度9. 9X 10_5，電 流溫度係數4. 8X 10_5，最大功耗30W(浙江省電子產品檢驗所測試，09/01Λ001)。
權利要求1.一種大功率負壓數控恆流模塊，其特徵在於，包括D/A轉換晶片(U1)、光電隔離器 (U2)、運算放大器(A)、反饋單元(B)和VMOS場效應管(VT)，輸入的數位訊號依次經D/A轉 換晶片(Ul)和光電隔離器(U2)轉換後輸入運算放大器(A)的正相端，反饋單元(B)將VMOS 場效應管(VT)的柵極電壓和源極電壓反饋至運算放大器(A)的負相端，運算放大器(A)比 較運算後輸出控制信號至VMOS場效應管(VT)的柵極，從而使VMOS場效應管(VT)的漏極 輸出電流恆定。
2.根據權利要求1所述的大功率負壓數控恆流模塊，其特徵在於，所述的D/A轉換晶片 (Ul)採用串行數位訊號輸入。
3.根據權利要求1所述的大功率負壓數控恆流模塊，其特徵在於，所述的光電隔離器 (U2)輸出端和運算放大器(A)正相端設有線性修正單元，所述的線性修正單元由第二電阻 (R2)、第八電阻(R8)、第九電阻(R9)和第一電阻(Rl)組成，第九電阻(R9)與第一電阻(Rl) 並聯，並聯後的阻值與第二電阻(R2)串聯，串聯後的阻值與第八電阻(R8)並聯。
4.根據權利要求3所述的大功率負壓數控恆流模塊，其特徵在於，包括連接VMOS場效 應管(VT)源極的第七電阻(R7)，連接運算放大器(A)輸出端的第六電阻(R6)；第六電阻 (R6)、第七電阻(R7)、第一電阻(Rl)、第八電阻(R8)和第九電阻(R9)連接共同結點。
5.根據權利要求1所述的大功率負壓數控恆流模塊，其特徵在於，所述的反饋單元由 第四電阻(R4)和第五電阻(R5)組成，第四電阻(R4)和第五電阻(R5) —端共同連接運算 放大器㈧的負相端，另一端分別連接VMOS場效應管(VT)的柵極和漏極。
專利摘要本實用新型公開了一種大功率負壓數控恆流模塊，包括D/A轉換晶片、光電隔離器、運算放大器、反饋單元VMOS場效應管，輸入的數位訊號依次經D/A轉換晶片和光電隔離器轉換後輸入運算放大器的正相端，反饋單元將VMOS場效應管的柵極電壓和源極電壓反饋至運算放大器的負相端，運算放大器比較運算後輸出控制信號至VMOS場效應管的柵極，控制VMOS場效應管的漏極輸出恆定電流。本實用新型模塊在輸入數位訊號解析度10bit的情況下，輸出電流0～1024級數位訊號輸入控制範圍內電流從0～3A範圍內分1024級變化，起始電壓≥-0.5V，電流穩定度9.9×10-5，電流溫度係數4.8×10-5，最大功耗30W。
文檔編號G05F1/56GK201936214SQ20112003373
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月31日 優先權日2011年1月31日
發明者盛法生 申請人:浙江財經學院