專利名稱：大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬功率ASIC技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊。
背景技術(shù)：
數(shù)控恒流模塊是在傳統(tǒng)恒流器件無法替代的條件下提出研究的，它是一種以數(shù)字 信號(hào)控制輸出電流為特征的恒流模塊。它不僅輸出電流可調(diào)范圍寬、允許工作電壓變化范 圍大、電路接口與TTL兼容，而且體積小、調(diào)節(jié)方便，具有優(yōu)良的電性能?？蓮V泛應(yīng)用于傳統(tǒng) 恒流器件無法涉足的技術(shù)領(lǐng)域，在數(shù)字電路技術(shù)應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。盛法生等公開了一種DCM02型恒流模塊(盛法生，范雅俊，呂品楨.DCM02型數(shù)控 恒流器件的設(shè)計(jì)分析[J].杭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997，24(2) 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(diǎn)。盛法生等公開了一種數(shù)控恒流器件(盛法生，范雅俊，畢凈.一種采用數(shù)字信號(hào) 控制的高穩(wěn)定性恒流器件[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1999，20 (3) :225-228)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，功 耗低，體積小，且具有優(yōu)良的電性能。上述器件的應(yīng)用是在正電壓情況下工作的，不能在負(fù)電壓情況下工作，而且沒有 解決數(shù)字電路部分與模擬電路部分的有效隔離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可靠性高、體積小、功耗低和易調(diào)節(jié)的大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模 塊?！N大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，包括D/A轉(zhuǎn)換芯片、光電隔離器、運(yùn)算放大器、反 饋單元VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，輸入的數(shù)字信號(hào)依次經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換芯片和光電隔離器轉(zhuǎn)換后輸入運(yùn)算 放大器的正相端，反饋單元將VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓和源極電壓反饋至運(yùn)算放大器的 負(fù)相端，運(yùn)算放大器比較運(yùn)算后輸出控制信號(hào)至VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，控制VMOS場(chǎng)效應(yīng)管 的漏極輸出恒定電流。所述的D/A轉(zhuǎn)換芯片采用串行數(shù)字信號(hào)輸入，外接第十電阻，進(jìn)行第一級(jí)線性修 正。所述的光電隔離器輸出端和運(yùn)算放大器正相端設(shè)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并聯(lián)，并聯(lián) 后的阻值與第二電阻串聯(lián)，串聯(lián)后的阻值與第八電阻并聯(lián)，該修正單元對(duì)恒流模塊進(jìn)行第 二級(jí)線性修正。上述恒流模塊還包括連接VMOS場(chǎng)效應(yīng)管源極的第七電阻，調(diào)節(jié)第五電阻的反饋 電壓，連接運(yùn)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(jié)點(diǎn)。所述的反饋單元包括并聯(lián)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(yùn)算放大器的負(fù)相端，另一端分別連接VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和漏極，對(duì)恒流模塊進(jìn)行第三級(jí)線性修正。本發(fā)明還提供了上述大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊在功率集成電路中的應(yīng)用。本發(fā)明恒流模塊通過應(yīng)用光電隔離器，確保數(shù)字電路與模擬電路的有效隔離，同 時(shí)應(yīng)用了三級(jí)線性修正，第一級(jí)修正在D/A轉(zhuǎn)換電路中，其線性修正確保步距電流的線性 和D/A轉(zhuǎn)換的高精度；第二級(jí)線性修正是保證光電轉(zhuǎn)換后的線性輸出，第三級(jí)修正是保證 VMOS管的線性輸出。本發(fā)明恒流模塊的模擬電路部分在負(fù)電壓下工作，起始電壓低，電流可調(diào)范圍寬、 電路接口與TTL兼容、可靠性高、體積小、功耗低、易調(diào)節(jié)。該模塊可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制，機(jī) 器人，光纖通信，軍事裝備，智能化儀器儀表及其它自動(dòng)化控制等方面。


圖1為本發(fā)明恒流模塊的模塊結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明恒流器的電路原理圖；圖3為本發(fā)明恒流模塊的伏安特性圖；圖4為本發(fā)明恒流模塊控制信號(hào)時(shí)序圖；圖5為本發(fā)明恒流模塊IObit輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式如圖所示，一種大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，包括D/A轉(zhuǎn)換芯片U1、光電隔離器U2、 運(yùn)算放大器A、反饋單元B和VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT。輸入的數(shù)字信號(hào)依次經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換芯片U1、 光電隔離器U2轉(zhuǎn)換輸入運(yùn)算放大器A的正相端，反饋單元將VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT的柵極電壓 和源極電壓反饋至運(yùn)算放大器A的負(fù)相端，運(yùn)算放大器A比較運(yùn)算后輸出控制信號(hào)至VMOS 場(chǎng)效應(yīng)管VT的柵極，控制VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT的漏極輸出恒定的電流。D/A轉(zhuǎn)換芯片采用串行數(shù)模轉(zhuǎn)換，外連電阻RlO使得D/A基準(zhǔn)電源可調(diào)。D/A轉(zhuǎn)換 芯片Ul在時(shí)鐘脈沖作用下，輸入的數(shù)字信號(hào)通過移位寄存器逐位讀入，在兩個(gè)鎖存脈沖間 隔輸入10個(gè)時(shí)鐘周期脈沖，鎖存10位數(shù)字信號(hào)并完成D/A轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)與 基準(zhǔn)電源進(jìn)行比較后輸入光電隔離器U2。光電隔離器U2的輸出端和運(yùn)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并聯(lián)的阻 值與電阻R2串聯(lián)，串聯(lián)的阻值與R8并聯(lián)。通過調(diào)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(duì)應(yīng)電阻Rl設(shè)置，連接運(yùn)算放大器A的負(fù)相端。反饋單元采用增大反饋、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(yùn)算放大器A的負(fù)相端和輸出端，電阻R5兩端分別連接運(yùn)算放大 器A的負(fù)相端和VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT的源極。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT為N溝道型，具有阻抗高、驅(qū)動(dòng)電流小、跨導(dǎo)大、導(dǎo)通電阻低以及 不存在二次擊穿等優(yōu)點(diǎn)，確保模塊輸出電流恒定。為使VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT柵極電壓穩(wěn)定，在運(yùn)算放大器A的輸出端連接電阻R6，為反 饋調(diào)節(jié)的需要，在MOS場(chǎng)效應(yīng)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(fù)載Rf —端連接VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT的漏極，另一端接地。
4電阻R7、電阻R9和電阻RlO為可調(diào)電阻。圖3為VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT的漏極輸出伏安特性圖，由圖可以看出當(dāng)加載電壓大于 一定數(shù)值，輸出電流始終恒定不變，不隨負(fù)載變化而變化，輸出電流的分辨率取決于D/A轉(zhuǎn) 換芯片的輸入位數(shù)。圖5為上述恒流模塊IObit輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，表明本實(shí)施例模塊輸出電流 I0隨數(shù)字信號(hào)的變化而變化，且兩者之間呈線性關(guān)系。其輸出電流與數(shù)字信號(hào)量輸入之間 的關(guān)系定義為I0 = K. Ieef. D2(1)I0-模塊輸出電流，D- 二進(jìn)制數(shù)字量，K-修正系數(shù)，Ieef-基準(zhǔn)電流，其中K，Ieef 也是二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的修正系數(shù)，式(1)可寫為I0 = K. Ieef. (a02°+a121+......+a^^^1)(2)以數(shù)字信號(hào)輸入分辨率lObit，最大輸出電流為3A為例，K. IKEF = 2.93，則由式⑵ 得數(shù)字量與模擬量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為I0 = 2. 93 (a02°+a121+a222+a323+a424+a525+......+a929) (mA) (3)式(3)中2. 93mA就是本實(shí)施例大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊最小可控電流，并在實(shí)施 中做到數(shù)字量與模擬量一一對(duì)應(yīng)，且保持高精度，即輸出電流在0 1024級(jí)數(shù)字信號(hào)輸入 控制范圍內(nèi)從0 3A范圍內(nèi)分1024級(jí)變化，起始電壓彡-0. 5V，電流穩(wěn)定度9. 9X 10_5，電 流溫度系數(shù)4. 8X 10_5，最大功耗30W(浙江省電子產(chǎn)品檢驗(yàn)所測(cè)試，09/01Λ001)。
權(quán)利要求
1.一種大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，其特征在于，包括D/A轉(zhuǎn)換芯片(U1)、光電隔離器 (U2)、運(yùn)算放大器(A)、反饋單元(B)和VMOS場(chǎng)效應(yīng)管(VT)，輸入的數(shù)字信號(hào)依次經(jīng)D/A轉(zhuǎn) 換芯片(Ul)和光電隔離器(U2)轉(zhuǎn)換后輸入運(yùn)算放大器(A)的正相端，反饋單元(B)將VMOS 場(chǎng)效應(yīng)管(VT)的柵極電壓和源極電壓反饋至運(yùn)算放大器(A)的負(fù)相端，運(yùn)算放大器(A)比 較運(yùn)算后輸出控制信號(hào)至VMOS場(chǎng)效應(yīng)管(VT)的柵極，從而使VMOS場(chǎng)效應(yīng)管(VT)的漏極 輸出電流恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，其特征在于，所述的D/A轉(zhuǎn)換芯片 (Ul)采用串行數(shù)字信號(hào)輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，其特征在于，所述的光電隔離器 (U2)輸出端和運(yùn)算放大器(A)正相端設(shè)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) 并聯(lián)，并聯(lián)后的阻值與第二電阻(R2)串聯(lián)，串聯(lián)后的阻值與第八電阻(R8)并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，其特征在于，包括連接VMOS場(chǎng)效 應(yīng)管(VT)源極的第七電阻(R7)，連接運(yùn)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(jié)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，其特征在于，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(yùn)算 放大器㈧的負(fù)相端，另一端分別連接VMOS場(chǎng)效應(yīng)管(VT)的柵極和漏極。
6.權(quán)利要求1 5任一所述的大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊在功率集成電路中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率負(fù)壓數(shù)控恒流模塊，包括D/A轉(zhuǎn)換芯片、光電隔離器、運(yùn)算放大器、反饋單元VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，輸入的數(shù)字信號(hào)依次經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換芯片和光電隔離器轉(zhuǎn)換后輸入運(yùn)算放大器的正相端，反饋單元將VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓和源極電壓反饋至運(yùn)算放大器的負(fù)相端，運(yùn)算放大器比較運(yùn)算后輸出控制信號(hào)至VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，控制VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏極輸出恒定電流。本發(fā)明模塊在輸入數(shù)字信號(hào)分辨率10bit的情況下，輸出電流0～1024級(jí)數(shù)字信號(hào)輸入控制范圍內(nèi)電流從0～3A范圍內(nèi)分1024級(jí)變化，起始電壓≥-0.5V，電流穩(wěn)定度9.9×10-5，電流溫度系數(shù)4.8×10-5，最大功耗30W。
文檔編號(hào)G05F1/46GK102122186SQ20111003361
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者盛法生 申請(qǐng)人:浙江財(cái)經(jīng)學(xué)院