前面已指出,理想恒流源的内阻无穷大,负载电阻的大小对于输出电流不会产生影响。当然,实际的恒流源内阻不可能是无穷大,但内阻更大的恒流源的负载适应性更好。使用场效应管(FET)构成的恒流源会比晶体管电路具有更大的内阻。本小节首先详细讨论由结型场效应管(JFET)组成的恒流源电路,然后对金属氧化物场效应管(MOSFET)组成的恒流源电路进行了分析。

图2.6(a)所示的是N-沟道结型FET 的结构示意图,经掺杂在半导体基片上分别形成三个区域,两边为两个P 区,中间为N 区,于是形成了两个PN 结,它有三个引出极,分别是栅极G、源极S和漏极D。N-沟道结型FET 的电路符号如图2.6所示。N 区连接了源、漏两极,它的多数载流子为电子,如果在两极间加上电压就可以导通。若在栅源之间加上反向电压[图2.6(b)和(c)],即S的电位比G 的电位高,S与G 之间的PN 结反偏,在该电场作用下,PN 结增厚,导电沟道被逐渐耗尽变窄,持续增加反偏电压,就会达到一个阈值Uth,只要栅源两极之间所加的反偏电压超过该值,源漏两极之间的导电沟道全部消失,不再导通。这个阈值电压被称为FET 的关断电压VGS(off),当UGS大于这个电压时FET 导通,否则FET 截止。应该注意的是,不同类型的FET 关断电压的极性是不同的,如金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)这个值是正的,N-沟道结型FET 这个值则是负的。

如果在D 与S之间加上电压,D 与G 之间会形成反偏电压,将产生如图2.6(b)与(c)所示的PN 结右边增厚的情形,持续提高UDS到某个临界值,称为FET 的夹断(Pinch-off)电压UDS(po),导通沟道开始夹断。但此时源漏两极之间依然会有电流流过,只是导通电流的大小与UDS无关,而受UGS控制,UGS大,则导通电流ID 大,UGS小,则导通电流ID 小,类似于一个可变电阻。根据PN 结与导电沟道的形态,FET 有三种工作区：截止区、欧姆区(也称为线性区)及夹断区。

图2.6　JFET 结构与工作原理

当UGS＜UGS(off)时,FET 位于截止区,漏极与源极之间不通,处于截止状态,不会有电流流动。

当UGS＞UGS(off)且UDS＜UDS(po)时,FET 位于欧姆区,漏极与源极之间通过沟道连通,处于导通状态,沟道的有效导通截面取决于UGS,FET 的作用近似一个电阻,阻值的大小与UGS有关。

当UGS＞UGS(off)且UDS＞UDS(po)时,FET 位于夹断区,漏极与源极依然有电流流动,电流大小与加在两极之间电压几乎无关,仅与UGS有关,等效输出阻抗很大。作为电流源使用时,应尽量使FET 工作在这个状态。图2.7所示的是FET 的输出特性,可以看到夹断区的等效输出阻抗很大,此时的FET 显示出相当理想的电流源特性,漏极电流ID与所加的漏源电压UDS基本无关,而是取决于栅极电压UGS,可见此时的JFET 可以看作是一个栅极电压控制的电流源。

应用FET 时,需要注意选择它的一些参数。首先是栅极-源极电压UGS,当FET工作在夹断区时,它决定FET 的工作电流,两者一起形成了FET 的工作点,通常可以根据如图2.7所示的输出特性来确定所期望电流的工作点。其次是漏极-源极电压UDS,若欲使FET 工作在夹断区,应适当选择电源电压来保证它不小于夹断电压UDS(po),即

UDS＞UDS(po)=UGS-UGS(off)

图2.7　FET 的输出特性

FET 的UGS与ID 都与环境温度相关。于是,如果用它来构造恒流源,所得到的恒流源特性将受环境温度的影响。然而,有意思的是,我们可以通过设置工作点,让这两者随着温度变化的部分相消,从而得到与温度无关的恒流源。图2.8所示的是两条分别对应于温度为T1 和T2(T2＞T1)的FET 的栅极电压与漏极电流之间的传输特性曲线,可以发现它存在一个交叉点,称为温度补偿工作点,此点对应的栅极电压UGS与漏极电流ID之间的传输关系不会随环境温度变化而变化,分别将它们称为温度补偿栅极电压UGS(TC)及温度补偿漏极电流ID(TC)。把FET 的工作点设计在这里就能构成对环境温度不敏感的恒流源电路。对于结型场效应管,它们可由下面的公式近似确定：

图2.8　FET 传输特性的温度响应

UGS(TC)≈UGS(off)+0.7V～UGS(off)+1V

ID(TC)≈0.25K～0.5KA

式中,K 是场效应管的跨导系数,代表了图2.8所示的传输特性曲线的斜率。图2.8所示的夹断区FET 传输特性曲线可以用中心位于UGS=UGS(off)的二次多项式(抛物线)来近似表示,即

上式中的系数K 即FET 的跨导系数,量纲为A/V2。

可以很方便地用N 沟道JFET 构造一个LED 驱动的恒流源电路。我们用一个具体的例子来给出设计的过程。假如要给一个蓝光LED(假设其正向导通电压为3V)提供1mA 的驱动电流,希望用图2.9所示输出特性的JFET 来实现此目的。

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图2.9　某型N-JFET 漏极电流-漏源电压输出特性曲线

为此可以使用图2.10(a)所示的电路,需要做的只是确定其中的串联电阻R 及适当的供电电压。串联电阻R 主要用于决定JFET 的漏极电流,即LED 的驱动电流大小,电源电压则应该保证JFET 上的电压降能使之工作在夹断区,从而使驱动电流对于LED 的正向电压降不敏感。由图2.9可以看出,产生1mA 的驱动电流需要给这个型号的JFET 设定的工作点是

-UGS=0.6V

求出串联电阻的阻值为

同时,从输出特性曲线上可以看到,为了使JFET 工作在夹断区,应使UDS≥3V。考虑到串联电阻的电压降,可以确定最小电源电压为

Ub=3.6V+UF

其中,UF是LED 的正向压降。这里可以取一个9V 的电源来供电。此时,电源输出的功率是9mW,LED 上消耗的有效功率为3mW,串联电阻上消耗的无效功率为0.6mW,JFET 上消耗的无效功率为5.4mW,可见电转换效率仅有33%。实际应用中应采用尽可能低的供电电压,以提高效率。上述例子中,如果选取电压为6.6V 的最低工作电压,电源输出的功率是6.6mW,电转换效率将提升到45%。

图2.10　两类FET 实现的LED 驱动电路

从图2.10(a)结型场效应管电路的应用例子中可以看到,它的驱动效率比较低,管子上会产生相当大的电压降,消耗掉相当一部分功率。特别地,当LED 工作电流较大时,这是完全不可接受的,不仅效率低,还产生大量的热量。下面讨论图2.10(b)所示的金属氧化物场效应管(MOSFET)所构成的驱动电路,N 沟道的MOSFET 被广泛用于各类功率驱动上,像开关电源、直流电机驱动等,用它来设计LED 的驱动电路,可以显著提高驱动效率。使用MOSFET 构造LED 驱动电路与上述JFET 电路不同,MOSFET 将处于近饱和线性状态,它的导通电阻可以做得很小,设计得当的驱动电路可以让管压降很低。一般来说,取MOSFET 的栅-源电压为其截止电压的2 倍,就能让它工作在饱和导通状态。下面结合图2.10(b)所示的MOSFET 驱动电路来说明工作过程。MOSFET 的截止电压UGS(off)是正的,想让图中的场效应管导通,给LED 提供驱动电流,必须把栅极电压UGS拉升到超过截止电压,其中的电阻R1、三极管T 以及串联电阻R2构成了一个反馈调节电路。如果期望的LED 驱动电流为ID,则串联电阻R2为

R1可以选100kΩ 左右,它与三极管T 构成很强的反馈,无论什么原因使得驱动电流ID发生变化,都会立刻调节UGS,使ID稳定在设计值上。该电路的最大调节电流是由MOSFET 的饱和导通电流所决定的,用它的导通电阻来计算很方便。当UGS足够大时,MOSFET 的作用等同于一个导通电阻RON。一些大功率应用场景下MOSFET 的RON可以做到很小,甚至可低于1mΩ,可通过很大的电流。用图示电路设计LED 驱动时,要根据最大电流要求选择恰当的MOSFET。例如,想为一个或多个并联的LED 模块提供1A 的大电流驱动,要求驱动电路能控制ID在0～1A 之间变化,进一步假设电源是5V,LED 正向压降UF=3V,所选择的MOSFET 导通电阻RON=1Ω,则图2.10(b)所示驱动电路是可以实现驱动电流在指定范围内的调节过程的。但若选的MOSFET 的导通电阻RON=10Ω,则驱动电流便只能在0～0.14A 的范围进行调节了。

接下来具体分析一下图2.10(b)所示电路的电功率转换效率。假设LED 的驱动电流需要在0～20mA 范围内调节,唯一需要做的是改变串联电阻R2的数值,具体数值可根据式(2.6)来确定。例如,若采用硅晶体管T,Ube=0.6V,则

R2=30Ω,当ID=20mA 时

R2=300Ω,当ID=2mA 时

假设ID=20mA,所使用的MOSFET 导通电阻RON=1Ω,取尽可能低的供电电压为3.6V,MOSFET 此时将工作在接近饱和导通区域,漏-源电压接近为0,几乎不消耗功率,可以求出电源输出的功率为72mW,LED 上消耗的有效功率为60mW,串联电阻上消耗的无效功率为12mW,电功率转换效率达到83%。实际应用中为了适应LED 正向导通电压存在的离散度,需要适当放宽电源电压,由此产生的附加压降将出现在MOSFET 漏极与源极之间,管子会消耗一定的功率,转换效率也会有些下降。

下面来讨论一下图2.10(b)所示电路电源电压升高后的电流调节特性,这对于实际的LED 驱动应用是有意义的。如果前面的例子中并不是取尽可能低的电源电压,而是取了一个高一些的电压,会出现什么情况呢?例如,把3.6V 的电源电压升到12V,LED 的驱动电流依然会保持在ID=20mA,它是由串联电阻阻值R2=30Ω 及晶体管T 的Ube=0.6V 共同决定的,与供电电压无关,这正是我们所希望的。但是MOSFET 的漏-栅电压将会上升,由于LED 的正向导通电压基本不变,上述例子中的UF=3V,简单计算后可得MOSFET 漏-源电压为

UDS=Ucc-UF-Ube=8.4V

这意味着场效应管上将消耗168mW 的功率,以热辐射的形式耗散掉,结果导致整个电路的驱动效率明显下降,仅有30%。因此,在设计电路时应该在保证LED 正向正常导通的前提下,电源电压尽可能低一些,这样做对于提高驱动效率是有益的。

再有一个需要考虑的问题是如何实现可调节的电流驱动。由前面的讨论已经得知,这仅需改变串联电阻的阻值就能实现,最方便的方法是把它替换成一个可调电位计,调节不同的电阻就能产生不同大小的驱动电流。然而,此非最优方案,因为前面关于LED 特性的讨论已经明确,LED 驱动电流对于发光的光谱特性会产生影响,对于色纯度要求高的应用这不是所希望的。于是需要寻求一种既保证光谱特性恒定,又能实现亮度调节的方法,这就是脉冲宽度调制(pulse-width modulation,PWM)驱动电路。