镜像电流源及其在防倒灌电路中的应用
镜像电流源及其在防倒灌电路中的应用
镜像电流源是一种常用的电流源电路，常被用在集成运放电路中，为了向各个放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。防倒灌电路则用于防止电流从一个电源流向另一个电源，这种情况通常发生在多个电源并联供电时。本文将详细介绍镜像电流源的工作原理及其在防倒灌电路中的应用。
1、镜像电流源
如下图1.1所示，三极管Q1的发射极经过b极，再通过R1电阻，形成回路，此时有回路电流形成。设Vbe = -0.7V，那么Vb = 4.3V。
PNP三极管发射结正偏，集电结正偏，则处于饱和状态。此时c极与e极已经短接，集电结无法正偏，可以判定为放大状态。
设流过Q1基极电流为Ib1，集电极电流为Ic1，流过Q2基极电流为Ib2，那么流过R1的电流Ir1 = Ic1+Ib1+Ib2 = βIb1+Ib1+Ib2。
由于Q1与Q2是同一种三极管，故Ib1 ≈ Ib2。设β = 100，那么Ir1 = 102Ib1 = 102Ib2。由于βIb2 = Ic2，所以流过R2的电流 = Ir1。此时就好像流过Q1的电流镜像到Q2中去了，故名“镜像电流源”。
图1.1 镜像电流源原理图
图1.2 Multisim仿真
2、防倒灌电路
1）输入防反接保护
（1）初始上电时
电源电压V1通过PMOS管Q3给到负载RL，Q3的DS极间电压为体二极管正向电压。
Q1的Vb = 5V-0.7V = 4.3V，流过R1电流Ir1 = 4.3V/1k = 4.3mA。R2上端电压Vr2 = 4.3mA*100Ω = 430mV。如下图2.1所示，仿真结果与理论计算相比，示值都非常相近。
图2.1 正常工作状态
（2）镜像电流形成后
Vgs = -4.7V，Q3导通，体二极管被短接而无电流通过，输出电压近乎达到V1电压【取决于Vds(on)】。此种电路也可称之为“理想二极管电路”。注意：体二极管的方向，Q3反接的话将起不到保护作用。
（3）输入电源反接时
PMOS管Q3的gs两端电压为正值，MOS管无法导通，如下图2.2所示。
图2.2 反接状态
PMOS的成本较高，因此PMOS作防反接保护一般适合用于电流超过3A以上的大电流的场景。电流大到百安，为了降低成本以及Rds(on)更小，建议采用NMOS作驱动。栅极驱动电压需Boost升压，电路将变得复杂。有关NMOS与PMOS的优劣势请移步：为什么NMOS管比PMOS管更受欢迎。
2）输出防倒灌功能
用于防止电流从一个电源流向另一个电源，这种情况通常发生在多个电源并联供电时。例如，当一个电源电压高于另一个电源时，可能会发生电流倒灌。
图2.3 倒灌状态
如图2.3所示，V3电源电压经Q2的be结，再经过R1入地，其b极电压 = 6V-0.7V = 5.3V。此时Q1的e极电压 > b极电压，迫使Q1退出放大状态而进入截至状态。Q2处于导通状态，Q3处于截止状态。
图2.4 电池隔离电路
（1）VP > VN时，无论Enable状态，MOSFET Switch强制开通，退出二极管导通模式。比如二极管正向电压 = 0.3V，当电流为100A时，自身功耗P = 0.3V*100A = 30W，相对于Rds(on)的毫欧级会大很多。
（2）VN > VP时，受控于ECM的Enable信号输出。