電流源過熱損壞？這個方法用外部電路輕松解決
發布日期:2026-01-30
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最近，我們的技術實例欄目看到了一些利用LM3x7系列三引腳穩壓器設計高精度可編程電流源的方案，這些設計充分利用了這些經典器件內置的防過熱功能。
然而，所有方案都必須滿足LM3x7系列在這種使用方式下對約5伏供電電壓余量的需求。這部分電壓是從電源汲取的，永遠無法輸送到負載。因此，這會導致電源利用率顯著降低。或許我有些吹毛求疵，但我還是忍不住想知道如何才能改善(減少)這種損耗。
無過溫保護的電流源
圖1顯示了我最初的想法：一個簡單、直接、精確的0至1A電流源，編程電壓為0至2.5V。它只需要大約1.25V的電壓余量，主要由電流檢測電阻R1的壓降(加上Q1的導通電阻Ron的一小部分)構成，從而解決了我最初要解決的問題。
圖1：圖中的高效精密電流源沒有過溫保護。在缺乏保護機制的情況下，若Q1散熱片效果不足，高功率輸出或環境溫度過高可能導致其損毀。
但遺憾的是，解決一個問題的同時，我又制造了另一個問題。
LM3x7的移除雖然降低了所需的余量，但也取消了過溫保護。如果沒有有效的外部散熱器，Si7489DP FET在25°C下的額定功率僅為約6W。如果功耗、環境溫度或兩者都升高，則Q1就很容易過熱損壞。
具有過溫保護功能的電流源
于是我想，對此該如何應對。圖2展示了這種思考所帶來的靈感。
圖2：為Q1提供外部結溫保護。由于Q1的內部結溫無法直接測量，必須根據功耗、結到環境的熱阻和環境溫度推斷。如果結溫超過150°C，A1d將停止電路運行。
我們需要的是一個外部版本的LM3x7內部結溫過熱截止電路，因為LM3x7的內部結溫過熱截止電路現在已經沒了。當然，實現外部結溫限制的難點在于，晶體管內部結溫就像經典的薛定諤的貓一樣難以捉摸。
嗯，或許不完全是這樣。不像那只著名的量子貓，它的溫度(無論是體溫還是室溫)理論上是無法得知的，晶體管的結溫雖然難以直接觀測，但至少可以計算出來。
事實上，這就是圖2右半部分所做的事情。
所需的結溫計算公式為：
Tj = (Ij Vj)/Sja + Ta
其中：
Tj是結溫
Ij是流經結點的電流
Vj是結點兩端電壓
Sja是根據Q1和散熱器數據手冊計算的結點至環境熱導率(瓦特/度)
Ta環境溫度
模擬算術
圖2的電路利用John Napier在17世紀發明的對數來進行模擬運算。以下是圖2電路如何進行運算的：
Q3的Vbe是通過R6檢測到的Q1電流編程信號的對數值。同時，Q4的Vbe記錄了由Q8和R6監測的Q1兩端的電壓。
Q3和Q4串聯，因此它們的電壓對數相加。大約400年前(這真是相當古老的技術了！)，Napier證明了對數相加等價于乘法。因此，Vbe之和就變成了Tj數學中的IjVj乘積項。
將IjVj信號施加到A1c的同相輸入端，然后減去Q5反相輸入端的Vbe。由于對數相減等同于除法(再次感謝Johnny！)，如果R8經過適當縮放，則該除法可提供Rja的歸一化項Sja。所得商即為結溫高于環境溫度的對數值。
反向晶體管Q6的集電極電流與R9/R10網絡協同工作，將A1c的輸出轉換為2mV/℃的結溫信號。該信號由A1d與Q7的環境溫度信號相加。
當總和達到Q1的150°C安全限值時，A1d的輸出會正向上升，將設定的源電流調整到安全值。
這簡直妙不可言。
事后補充
我后來才想到，除了讓Q7測量環境溫度之外，還有一個更準確的方案：將其熱耦合(即緊密貼合)到Q1的外殼上，使其直接反饋包含散熱器效果的溫度值。然后，我們就可以使用Q1數據手冊中給出的結到外殼的熱阻抗(即Rjc而不是Rja)，Si7489DP的最大值為1.5°C/W。
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