作者：lymex
恒流电子负载与恒流源的关系
恒流源这个名词比较通用一些，首先是恒流，其实是源。源就是电源、源泉的意思，意味着可以提供正能量。 恒流负载，尽管也有恒流二字，但为负载，是消耗功率的，不提供正能量。 恒流负载一般为交流供电，但也可以简单的看成是一个二端器件。 与恒流源（Current Source）相对应有个狭义的名词叫恒流沉（Current Sink），这一般是指三端恒流器，负载要接在电源和输出之间。 相对也有个狭义的恒流源，也是三端接法，负载是接在输出和地之间，由于共地因此比较好用。
为什么要DIY 1500W、600A高精度恒流负载
很简单的两个原因：一个是因为有需求，另一个是买不到。 即便这个指标的电子负载能能买到，也是天价了。 恒流其实是我最常用的电子负载功能，主要是测试各种电源、电池，还可以与电源组成恒流源。只做恒流功能，用途单一，比较好做。当然，也不排除以后扩展功能。 大电流精密恒流源的用途比较多，因为很多设备和试验涉及高精度磁场，比如核磁共振、粒子加速器、离子约束装置，因此就有大量的高精度恒流需求。 但指标为什么定在1500W、600A呢？这主要是我正在DIY高精度600A测试器，会与这个匹配，而600A测试器选600A的原因是因为IT 600-S的量程是600A。600A的电源一般有3V，去掉引线接头等也可能有2.5V，这样就要求电子负载可以承载600A×2.5V=1500W的功率。 600A是最大电流，使用中完全可以设置更小的电流。比如200A、100A甚至更小，这样就比较灵活而通用。由于功率较大，因此电流小就可以施加更高的电压，适用范围会更宽一些，比如以1C放电率测试100Ah、12V的电瓶。
与商品电子负载比，DIY的这个要高精度，但又要方便和低成本，因此要简化。简化后那些指标收到了影响？可能很多，比如功能、方便性、可靠性，这些我都不在乎，最在乎的是1500W、600A、高精度。
首先，参考Agilent N3306A电子负载
安捷伦是著名仪器公司就不用说了，尽管安捷伦已经不存在了，但这个名字早已被大家熟知，还会存在很长时间。其N3306A是N3300电子负载系列里功率最大（600W），电流最大（120A）的模块，因此具备很强的参考价值，尤其是安捷伦公开其资料，包括电路图，所以给DIY提供了很多方便。
该电子负载在此处的重要参考部分是输出部分，由16组相同的功率单元并联而成，每个单元的电路如下：
其中Q2和Q24是二选1，不是二个不同的管子直接并联，R199和R200也是不同时焊接的跳线。
R70是检流电阻，U22是差分式的检流电压放大器，会在并联虚地短路的I_SUM端子上形成合计电流信号，这个信号与单元编程电压输入Cell_Prog进行对比，有差异的话通过U7放大再驱动MOS管，达到让输出电流与编程电压相匹配。
以上是一个内部反馈控制环，为了达到比如恒流恒压等功能，需要有第二个控制环，比如恒流功能，需要有一个代表设定/编程电流的CC-PROG信号，与实际电流I_Set信号进行对比，有差异就去控制Cell_Prog，就可以达到恒流输出的目的。恒流控制单元电路图如下：
N3300A的照片局部（photo courtesy of Enjoydiy）
用MS仿真一下功率单元，并试图改变Cell_Prog等参数，感觉电路设计的很合理：
最重要的一点，这种单元的设计可以方便并联而互不影响，电流天生就具有并联能力，输入端电压输入信号并联也没有任何问题。这个电路尽管看起来复杂一些，但那句话是怎么说来的，领土虽大但没有一寸是多余的，元件虽多但没有一个是白吃饭的。
当然，由于这个电路设计的比较早（10年以上，用户手册是2004年的），当时功率MOS元件性能一般，加上Agilent出名的大余量设计，还有灵活多功能要求也增加了复杂性，因此用在我这里的时候做了一些改动，电路如下：
其中，左下角增加的U1及相关元件是临时进行CC控制，可以模拟出完整的恒流负载特性；右边红色的部分是大电流通路。
改动的内容如下：
1、去掉2.5V偏压和二个90k电阻。偏置可以以后集中处理，不在单元电路里体现；
2、U22改成噪声只有原来1/10的ADA4528（仿真软件MS11里没有，用类似的先替代），Agilent当时设计时还没有这么低噪声的自稳零运放（追加：事实上，MS12里已经有这个运放了，足见此运放比较新）；
3、检流电阻改成1mR的，这样可以通过大电流而功耗不增。尽管检流电阻上的电压变低了，但由于采用低噪声运放，整体噪声反而会减少；
4、输出管子换成580W大功率的IRFPS3810，当时Agilent设计时还没有这么大功率的，只用了150W的管子；
5、U22的放大倍数增大一些，以便适应减少的采样电阻电压，同时使得输出满度电压减少到1V，这样可以与IT 600-S的输出兼容；
6、U7从从反向输入放大改成同相输入放大，这样单元编程电压（Cell_Prog）的极性就从负电压变成正的；
7、U7改成单电源供电，这样去掉负电源，简化电路。U7本身就是可以3V起供电的单电源运放，可以驱动较大的电容负载。
这已经可以看出600A恒流负载的雏形了，每个单元输出60A，10个这样的单元并联，就是600A。
并联的时候需要每个单元的4根外接线并接到一起：Cell_Prog、相应的地、正负接线。左下角的恒流控制部分是公用的、只有一个。本来I-Set是需要接反向放大运放的负输入即虚地，这样才能起到电流相加功能，不过现在U1不是用作加法器，而是让R140等电阻自己做平均后再与I_Set对比，效果是一样的。
上图只画了3个单元的并联，所有正输出接到一起然后再接到真正的输出正接线柱，负接线柱类似；所有的I_Sum即不同单元的R141接到一起形成平均电路（平均电路与合计电路其实就差个比例系数），用运放U1对比设定信号，最后的误差信号供给所有的Cell_Prog，这样形成第二个闭环控制。
图上还有另外一个新增的部分，就是所有的负引线到达n_Bingding_Post之前，要通过电流传感器IT 600-S的原边，这样在副边就得到一个高精度的、满度1V的代表输出电流的电压信号，可以用来替代原来的各单元的平均电流I_Sum，由此得到高精度恒流。
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