电流源过热损坏？这个方法用外部电路轻松解决
发布日期:2026-01-30
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最近，我们的技术实例栏目看到了一些利用LM3x7系列三引脚稳压器设计高精度可编程电流源的方案，这些设计充分利用了这些经典器件内置的防过热功能。
然而，所有方案都必须满足LM3x7系列在这种使用方式下对约5伏供电电压余量的需求。这部分电压是从电源汲取的，永远无法输送到负载。因此，这会导致电源利用率显著降低。或许我有些吹毛求疵，但我还是忍不住想知道如何才能改善(减少)这种损耗。
无过温保护的电流源
图1显示了我最初的想法：一个简单、直接、精确的0至1A电流源，编程电压为0至2.5V。它只需要大约1.25V的电压余量，主要由电流检测电阻R1的压降(加上Q1的导通电阻Ron的一小部分)构成，从而解决了我最初要解决的问题。
图1：图中的高效精密电流源没有过温保护。在缺乏保护机制的情况下，若Q1散热片效果不足，高功率输出或环境温度过高可能导致其损毁。
但遗憾的是，解决一个问题的同时，我又制造了另一个问题。
LM3x7的移除虽然降低了所需的余量，但也取消了过温保护。如果没有有效的外部散热器，Si7489DP FET在25°C下的额定功率仅为约6W。如果功耗、环境温度或两者都升高，则Q1就很容易过热损坏。
具有过温保护功能的电流源
于是我想，对此该如何应对。图2展示了这种思考所带来的灵感。
图2：为Q1提供外部结温保护。由于Q1的内部结温无法直接测量，必须根据功耗、结到环境的热阻和环境温度推断。如果结温超过150°C，A1d将停止电路运行。
我们需要的是一个外部版本的LM3x7内部结温过热截止电路，因为LM3x7的内部结温过热截止电路现在已经没了。当然，实现外部结温限制的难点在于，晶体管内部结温就像经典的薛定谔的猫一样难以捉摸。
嗯，或许不完全是这样。不像那只著名的量子猫，它的温度(无论是体温还是室温)理论上是无法得知的，晶体管的结温虽然难以直接观测，但至少可以计算出来。
事实上，这就是图2右半部分所做的事情。
所需的结温计算公式为：
Tj = (Ij Vj)/Sja + Ta
其中：
Tj是结温
Ij是流经结点的电流
Vj是结点两端电压
Sja是根据Q1和散热器数据手册计算的结点至环境热导率(瓦特/度)
Ta环境温度
模拟算术
图2的电路利用John Napier在17世纪发明的对数来进行模拟运算。以下是图2电路如何进行运算的：
Q3的Vbe是通过R6检测到的Q1电流编程信号的对数值。同时，Q4的Vbe记录了由Q8和R6监测的Q1两端的电压。
Q3和Q4串联，因此它们的电压对数相加。大约400年前(这真是相当古老的技术了！)，Napier证明了对数相加等价于乘法。因此，Vbe之和就变成了Tj数学中的IjVj乘积项。
将IjVj信号施加到A1c的同相输入端，然后减去Q5反相输入端的Vbe。由于对数相减等同于除法(再次感谢Johnny！)，如果R8经过适当缩放，则该除法可提供Rja的归一化项Sja。所得商即为结温高于环境温度的对数值。
反向晶体管Q6的集电极电流与R9/R10网络协同工作，将A1c的输出转换为2mV/℃的结温信号。该信号由A1d与Q7的环境温度信号相加。
当总和达到Q1的150°C安全限值时，A1d的输出会正向上升，将设定的源电流调整到安全值。
这简直妙不可言。
事后补充
我后来才想到，除了让Q7测量环境温度之外，还有一个更准确的方案：将其热耦合(即紧密贴合)到Q1的外壳上，使其直接反馈包含散热器效果的温度值。然后，我们就可以使用Q1数据手册中给出的结到外壳的热阻抗(即Rjc而不是Rja)，Si7489DP的最大值为1.5°C/W。
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