可編程直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)與研究論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　關(guān)鍵字I</b></p><p>　　AbstractI</p><p>　　Key wordsII</p><p><

2、b>　　1 前言1</b></p><p>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求3</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)3</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)要求4</p><p>　　2.2.1 基本要求4</p><p>　　2.2.2 發(fā)揮部分4</p><p>

3、　　3 設(shè)計(jì)方案的選擇與論證5</p><p>　　3.1 電子負(fù)載的工作原理5</p><p>　　3.1.1 恒定電流模式5</p><p>　　3.1.2 恒定電阻模式5</p><p>　　3.1.3 恒定電壓模式6</p><p>　　3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案論證7</p>

4、<p>　　3.2.1 負(fù)載器件選擇7</p><p>　　3.3 負(fù)載工作模式的論證與選擇7</p><p>　　3.3.1 恒流方案7</p><p>　　3.3.2 恒阻方案8</p><p>　　3.3.3 恒壓方案8</p><p>　　3.4 電壓電流檢測方案論證與選擇

5、9</p><p>　　3.5 保護(hù)電路方案的選擇9</p><p>　　4 可編程直流電子負(fù)載硬件的分析與計(jì)算10</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總體方框圖10</p><p>　　4.2 負(fù)載電路的分析與計(jì)算11</p><p>　　4.3 工作模式的分析與計(jì)算12</p>&l

6、t;p>　　4.4 驅(qū)動(dòng)電路的解析13</p><p>　　4.5 保護(hù)電路的分析13</p><p>　　5 電子負(fù)載流程圖設(shè)計(jì)15</p><p>　　5.1 鍵盤識(shí)別處理與顯示流程圖設(shè)計(jì)15</p><p>　　5.2 電子負(fù)載計(jì)算值系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)16</p><p>　　6 系統(tǒng)測試

7、與調(diào)試分析17</p><p><b>　　7 結(jié)論21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p>　　附錄A 可編程直流電子負(fù)載的供電電源25</p><p>

8、　　附錄B 設(shè)計(jì)實(shí)物圖28</p><p>　　可編程直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用8個(gè)100W的MOS增強(qiáng)型功率場效應(yīng)管并聯(lián)連接作為電子負(fù)載，采用STC12C5A60S2低功耗單片機(jī)作為控制核心，控制電子負(fù)載的工作模式和系統(tǒng)的參數(shù)，電流、電阻、電壓的數(shù)值可以通過鍵盤對(duì)其進(jìn)

9、行任意設(shè)置，而且還能夠?qū)崟r(shí)顯示到液晶顯示屏上。恒流模式電流的可調(diào)范圍為0-10A，恒壓模式電壓的可調(diào)范圍為5V-40V，恒阻模式電阻的可調(diào)范圍為10-200Ω，電子負(fù)載的計(jì)算采用了逐次逼近法使電子負(fù)載的各個(gè)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)無限接近，所以系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，同時(shí)還具有過壓、欠壓、過流、過熱及防反接功能。</p><p><b>　　關(guān)鍵字</b></p><p>　

10、　STC12C5A60S2; 電子負(fù)載; 場效應(yīng)管; 恒流</p><p>　　Design and Realization of the Programmable DC Electronic Load</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design adopted 8 enhanced p

11、ower MOSFET(100W) connected in parallel as electronic load,and adopt STC12C5A60S2 low consumption SCM as the main controller to control the electronic load's working mode as well as its parameters,the figure of curre

12、nt resistance and voltage can be randomly setted through the keyboard,and it's can also be displayed in the LCD simultaneous.Adjustable extent for constant current mode is between 0A to 10A,for constant voltage mode

13、is 5V-40V,and for constant resistance</p><p><b>　　Key words</b></p><p>　　STC12C5A60S2; Electronic load; MOSFET; Constant current</p><p><b>　　1 前言</b></p&

14、gt;<p>　　在人們生活的多個(gè)領(lǐng)域都要用到負(fù)載測試，如充電電源試驗(yàn)、蓄電池放電試驗(yàn)以及衡量購買電池、電源的特性時(shí)等都需要負(fù)載測試。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)上述產(chǎn)品的試驗(yàn)一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法進(jìn)行，此種方法存在操作不方便，散熱性欠佳，準(zhǔn)確率低等缺陷[1]。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，為電源檢測技術(shù)帶來了革命性的

15、變化。由于鐵道電氣化供電、電氣牽引、信號(hào)控制、無線通信、計(jì)算機(jī)指揮調(diào)度中心及家庭日常生活等應(yīng)用領(lǐng)域都在大量應(yīng)用各種各樣的電源，電子負(fù)載被廣泛用于生產(chǎn)線(手機(jī)充電器，手機(jī)電池，電動(dòng)車電池，開關(guān)電源，線性電源)，科研機(jī)構(gòu)，汽車電子，航空航天，船舶，太陽能電池，燃料電池等行業(yè)[2]。因于人們對(duì)電子負(fù)載的需求越來越多，對(duì)其性能要求也越來越高。而傳統(tǒng)的電源檢測技術(shù)面臨著極大的挑戰(zhàn)。為準(zhǔn)確檢測電源的可靠性和帶載能力，因此把電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)

16、有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)電源的可靠檢測，大力發(fā)展動(dòng)態(tài)負(fù)載或是可編程的電子負(fù)載變得越來越重要。</p><p>　　所謂動(dòng)態(tài)帶載，就是電子負(fù)載做模擬的變化帶載，也叫瞬態(tài)。其有幾個(gè)重要的參數(shù)。</p><p>　　變化斜率籠統(tǒng)的說是電子負(fù)載可以完成的變化速度，精確地說是電子負(fù)載變化時(shí)，從變化量的10%～90%的變化速率。恒流狀態(tài)下的單位是A/ms，A/us[3]。 　</p><

17、;p>　　響應(yīng)時(shí)間:電子負(fù)載可以完成變化的最小時(shí)間單位為us。電子負(fù)載的動(dòng)態(tài)（瞬態(tài)）頻率分為兩種，動(dòng)態(tài)頻率（只包含一個(gè)上升沿或者一個(gè)下降沿，或者說單位時(shí)間變化的次數(shù)），瞬態(tài)頻率（一個(gè)周期包含上升沿與下降沿）。</p><p>　　從電源類型來看，電子負(fù)載可分為直流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載兩種。直流電子負(fù)載比起交流電子負(fù)載，應(yīng)用的歷史較長，范圍更廣。最初在實(shí)驗(yàn)室，利用電力電子器件的特性，通過分析等值電路，用電力

18、電子元件搭建電子電路來模擬負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)定電阻、定電壓等特性。隨后又有工作人員將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到電子負(fù)載中，逐步可實(shí)現(xiàn)定電流模式和可編程斜率模式。單片機(jī)技術(shù)與變換器電路的密切結(jié)合還使得電子負(fù)載可以工作在其它多種模式下，如定功率模式、動(dòng)態(tài)電阻模式、短路模式、恒流與恒壓模式、恒阻與恒壓模式。</p><p>　　此外可編程電子負(fù)載還有以下特點(diǎn):</p><p>　　(1)過流，過壓，過功率，過

19、熱，極性反接保護(hù)； </p><p>　　(2)高亮度，真空VFD屏，雙排四路同步顯示； </p><p>　　(3)根據(jù)溫度變化，無極伺服智能風(fēng)扇系統(tǒng)； </p><p>　　(4)電路軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定，可根據(jù)設(shè)定電壓值帶載； </p><p>　　(5)電池測試及短路功能； </p><p>　　(6)提供動(dòng)態(tài)測試，

20、上升下降斜率設(shè)定； </p><p>　　(7)支持外部觸發(fā)輸入，輸出； </p><p>　　(8)提供外部電流波形監(jiān)視端子； </p><p>　　(9)支持遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償，多個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； </p><p>　　(10)開機(jī)自檢，軟件校正，標(biāo)準(zhǔn)儀器架設(shè)計(jì)[4];</p><p>　　隨著電子負(fù)載的進(jìn)一步研究與功率場效

21、應(yīng)晶體管 (MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和場效應(yīng)晶閘管(MCT)等主要開關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓?fù)涞陌l(fā)展，變換器能更好的將一種電能變?yōu)榱硪环N或多種形式的電能，交流電子負(fù)載也得到了實(shí)現(xiàn)。交流電子負(fù)載是可以模擬傳統(tǒng)真實(shí)阻抗負(fù)載的電力電子裝置，它能模擬一個(gè)固定或變化的負(fù)載，甚至將試驗(yàn)的電能反饋回電網(wǎng)，其設(shè)計(jì)初衷是交流電源出廠試驗(yàn)。交流電源出廠試驗(yàn)通常采用電阻箱耗能的辦法，它存在調(diào)節(jié)不便、自動(dòng)化程度低、耗電量大等缺點(diǎn)，

22、而采用交流電子負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)可有效克服這些缺點(diǎn)，它可使試驗(yàn)更加簡單、靈活，且大大降低試驗(yàn)的成本。</p><p>　　可編程直流電子負(fù)載還可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載（用電器）。應(yīng)該說所有的電源廠家都會(huì)有用，而且也必須有。由于電子負(fù)載在應(yīng)用方面問題，直流電子負(fù)載應(yīng)用比較廣泛，可編程直流電子負(fù)載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比具有節(jié)能、可編程、體積小、重量輕、成本低、功率高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，由于可編程電子負(fù)載所具有的性能和優(yōu)點(diǎn)，

23、其被越來越多地應(yīng)用到各種試驗(yàn)場合。因此電子負(fù)載的研究具有廣闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景[5]，本文將主要介紹可編程直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一款可編程的直流電子負(fù)載，要求其具有電流、電壓、和電阻模式，功率達(dá)到500W以上。&l

24、t;/p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)有單片機(jī)控制的可編程直流電子負(fù)載，其由液晶顯示,具有中文菜單,能實(shí)時(shí)顯示電壓、電流數(shù)據(jù)，并具有過壓、欠壓、過流、防反接保護(hù)和過熱保護(hù)等功能，要求有恒阻、恒電流工作模式，恒阻模式可預(yù)置電阻值，功率不小500W。</p><p>　　2.2.1 基本要求</p

25、><p>　　(1)恒流模式下電子負(fù)載流入電流Io可設(shè)定，范圍為0.5-5A；以0.1A 為步進(jìn)，并顯示設(shè)定電流、實(shí)際電流（即 Io），電流誤差≤±0.1A。 </p><p>　　(2)恒壓模式下電子負(fù)載端電壓Uo可設(shè)定，范圍為12-40V；以0.1V為步進(jìn),并顯示設(shè)定電壓、實(shí)際端電壓（即Uo），電壓誤差≤±0.1V，紋波有效值＜0.1V。</p><

26、p>　　(3)實(shí)時(shí)顯示工作時(shí)長、機(jī)內(nèi)溫度。</p><p>　　(4)電子負(fù)載功率不小于500W。</p><p>　　2.2.2 發(fā)揮部分</p><p>　　(1)設(shè)計(jì)基本要求電流范圍為0.5-5A；電壓范圍為12-40V，設(shè)計(jì)負(fù)載電流范圍為0-10A，控制精度達(dá)98%；恒壓模式下:負(fù)載電壓范圍為5V-40V（非總輸入電壓），控制精度達(dá)96%，精度較高。

27、</p><p>　　(2)設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2低功耗單片機(jī)為控制核心，在散熱較好的條件下，功率可達(dá)到500W以上。</p><p>　　(3)電路的采用了銀線連接和高精度的霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)檢測電路的總電流，總電流可達(dá)到12A以上。</p><p>　　(4)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)的制作成本，提高功率，降低功耗。</p><p>

28、;　　3 設(shè)計(jì)方案的選擇與論證</p><p>　　3.1 電子負(fù)載的工作原理</p><p>　　電子負(fù)載，顧名思義，是用電子器件實(shí)現(xiàn)的“負(fù)載”功能，其輸出端口符合歐姆定律。具體地說，電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備[6]。電子負(fù)載一般具有定電流、定電壓、定電阻、定功率、短路及動(dòng)態(tài)負(fù)載多種模式，可以模擬各種不同的負(fù)載狀

29、況，其可用于測試直流穩(wěn)壓電源、蓄電池等電源的性能。它能夠準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電壓,精確調(diào)整負(fù)載電流,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路,模擬負(fù)載可以是感性、阻性和容性。它的基本工作方式有恒壓、恒流、恒阻這三種。</p><p>　　3.1.1 恒定電流模式</p><p>　　在定電流模式中,在額定使用環(huán)境下, 不論輸入電壓大小如何變化電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流。</p><p&

30、gt;　　若被測電壓在5～10V變化，設(shè)定電流為100mA，則當(dāng)調(diào)節(jié)被測電壓值時(shí)，負(fù)載上的電流值應(yīng)維持在100mA不變,而此時(shí)負(fù)載值是可變的。定電流模式能用于測試電壓源及AD/DC電源的負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率 (LOAD REGULATION) 是電源負(fù)載的變化會(huì)引起電源輸出的變化,負(fù)載增加,輸出降低,相反負(fù)載減少,輸出升高，負(fù)載調(diào)整率是電源在負(fù)載變動(dòng)情況下能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力, 是電源輸出電壓偏差率的百分比，是衡量電源好壞的指

31、標(biāo)。</p><p>　　3.1.2 恒定電阻模式</p><p>　　在定電阻工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定負(fù)載電阻和輸入電壓的大小而定，此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓呈正比例，即電子負(fù)載將吸收與輸入電壓成線性變化的負(fù)載電流。若負(fù)載設(shè)定為1 kΩ, 當(dāng)輸入電壓在1～10 V 變化時(shí), 電流變化則為1～10mA，比值即是所設(shè)定的負(fù)載電阻，即負(fù)載電阻保持設(shè)定值不變。</p&g

32、t;<p>　　恒阻功能，在有些數(shù)控電子負(fù)載中并不設(shè)計(jì)專用電路，而是在恒流電路的基礎(chǔ)上通過 MCU 檢測到的輸入電壓來計(jì)算電流，達(dá)到恒阻功能的目的，比如要恒定電阻為 10 歐時(shí)，MCU 檢測到輸入電壓為 20V，那么會(huì)控制輸出電流為 2A，但這種方法響應(yīng)較慢，只適用于輸入變化較慢且要求不高的場合。專業(yè)的恒阻電子負(fù)載都是由硬件實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　在恒阻功能狀態(tài)下，負(fù)載如純電阻，吸收與電壓成線

33、性正比的電流。此方式適用于測試電壓源、電流源的啟動(dòng)與限流特性等應(yīng)用。</p><p>　　3.1.3 恒定電壓模式</p><p>　　恒定電壓模式是指電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定的負(fù)載電壓而定，此時(shí)負(fù)載電流將會(huì)增加直到負(fù)載電壓等于設(shè)定值為止，即負(fù)載電壓保持設(shè)定值不變。但前提是要在額定功率之下，即不能超過系統(tǒng)它所能承受的最大電流，圖3.1中MOS管上的電壓經(jīng) R3 與R2 分壓后送

34、入運(yùn)放 IN+與給定值進(jìn)行比較，如圖所示，當(dāng)電位器在10%時(shí) IN為1V，MOS 管上的電壓應(yīng)為2V，恒定電壓模式能被使用于測試電源的限流特性。另外, 負(fù)載可以模擬電池的端電壓, 故可以使用于測試電池充電器。</p><p>　　圖3.1 恒定電壓模式原理圖 </p><p>　　3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案論證</p><p>　　3.2.1 負(fù)載器件選擇<

35、;/p><p>　　電子負(fù)載的耗能元件通常有晶體管，場效應(yīng)管，絕緣柵雙極性晶體管等。其中普通晶體管的功率較小，而絕緣柵雙極性晶體管作為負(fù)載時(shí)，其電路較為復(fù)雜，且紋波較大。</p><p>　　場效應(yīng)晶體管（MOSFET）具有控制靈敏度高、工作速度快、既無機(jī)械接觸點(diǎn)，也無運(yùn)動(dòng)部件，適合模擬速度較快，電流稍小的實(shí)際負(fù)載，場效應(yīng)晶體管（MOSFET）在工作時(shí)相當(dāng)于開路，其電阻巨大，在實(shí)際工作中不會(huì)產(chǎn)

36、生靜態(tài)的功率消耗。在設(shè)計(jì)直流電子負(fù)載的時(shí)候我們采用場效應(yīng)晶體管（MOSFET）作為功率消耗元件[7]。</p><p>　　3.3 負(fù)載工作模式的論證與選擇</p><p>　　3.3.1 恒流方案</p><p>　　方案一：電阻采樣反饋法，在功率MOS管的源極串接采樣電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，反饋至高增益誤差放大器的反相端。在同相端輸入固定電壓，當(dāng)反相端的電壓

37、等于同相端的電壓時(shí)，功率MOS管的電流就恒定，即電流與同相端電壓成正比例關(guān)系。</p><p>　　方案二：電流直接采樣法，通過霍爾電流傳感器檢測流入電子負(fù)載的總電流，與設(shè)定電流相比較，看電流是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的電流值，通過一定的算法控制DA輸出電壓，進(jìn)而控制功率MOS管的導(dǎo)通量來控制電流。</p><p>　　方案一與方案二相比，由于采樣電阻的功率太小，使電子負(fù)載可流入的電流受到很大的限制

38、，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足題目的要求，方案二的缺點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，但可以通過較大的電流。綜合考慮，我們選擇方案二。</p><p>　　3.3.2 恒阻方案</p><p>　　方案一：硬件實(shí)現(xiàn)法，將功率MOS管的端電壓V采樣至誤差放大器的同相端，將功率MOS管的電流I采樣轉(zhuǎn)換成電壓至誤差放大器的反相端，根據(jù)歐姆定律:R=V/I，實(shí)現(xiàn)恒阻。</p><p>　　方案二：軟

39、件實(shí)現(xiàn)法，在恒流的基礎(chǔ)上，通過AD將功率MOS管的端電壓計(jì)算出電流來實(shí)現(xiàn)恒阻。</p><p>　　電阻采樣反饋法的存在較大誤差，軟件實(shí)現(xiàn)法快速準(zhǔn)確，避免了硬件電路因設(shè)計(jì)缺陷和電子元器件的相互影響所帶來的干擾?；谏鲜龅奈覀冞x擇方案二。</p><p>　　3.3.3 恒壓方案</p><p>　　恒壓電路模塊功能實(shí)現(xiàn)有兩種方案:</p><p

40、>　　方案一：三極管放大比較法，此方案中三極管的基極和發(fā)射極分別相當(dāng)于比較器的負(fù)、正輸入端。這樣的電路可以實(shí)現(xiàn)恒壓功能，但是誤差比較大，同時(shí)還有較大的功率損耗。</p><p>　　方案二:運(yùn)放放大比較法，通過將采樣電壓和參考電壓輸入到運(yùn)放的同相端和反相端進(jìn)行比較來控制運(yùn)放的輸出量，進(jìn)而控制功率MOS管的導(dǎo)通量。此方案電路實(shí)現(xiàn)簡單，誤差和損耗較小，是非常理想的方案。</p><p>

41、　　綜上所述比較故采用方案二。</p><p>　　3.4 電壓電流檢測方案論證與選擇</p><p>　　方案一：采樣放大檢測。此方案是通過在電路中串入采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)進(jìn)行處理。</p><p>　　方案二：電流傳感器檢測。直接將霍爾電流傳感器串到電路中，傳感器自動(dòng)將電流精確地轉(zhuǎn)換成電壓，不用進(jìn)行放大就可以通過A/D轉(zhuǎn)換

42、送給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理?；魻栯娏鱾鞲衅骶哂许憫?yīng)速度快，測量精度高，線性度好等優(yōu)點(diǎn)[8]。</p><p>　　綜合以上考慮，方案二相對(duì)于方案一具有準(zhǔn)確度高，電路簡單，功耗小等優(yōu)勢，故選用方案二。</p><p>　　3.5 保護(hù)電路方案的選擇</p><p>　　通過采樣輸入電壓與參考電壓相比較，當(dāng)達(dá)到欠壓或者過壓的條件時(shí)，通過觸發(fā)單片機(jī)控制繼電器切斷電源，達(dá)到欠

43、壓和過壓保護(hù)的目的。</p><p>　　由于系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器檢測輸入電流，當(dāng)單片機(jī)的檢測到電流超過最大電流時(shí)，同樣是通過控制繼電器切斷電源，達(dá)到過流保護(hù)的目的。</p><p>　　利用MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷來設(shè)計(jì)防反接保護(hù)電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在HOMSEMI MOSFET 已經(jīng)能夠做到毫歐級(jí)，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大

44、的問題。</p><p>　　利用溫度傳感器檢測電子負(fù)載溫度，當(dāng)電子負(fù)載的溫度超過最大溫度時(shí)，同樣通過單片機(jī)來切斷繼電器來切斷電源，達(dá)到過熱保護(hù)的目的。</p><p>　　4 可編程直流電子負(fù)載硬件的分析與計(jì)算</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總體方框圖</p><p>　　系統(tǒng)由前級(jí)輸入電路、功率損耗電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理

45、電路、控制電路等組成。如圖4.1所示:先接通負(fù)載部分的電源，讓負(fù)載先預(yù)熱一下，再接通控制部分的電源，微控制器可以通過模式選擇電路選擇系統(tǒng)的工作模式，前級(jí)輸入電路由一個(gè)電壓跟隨器，一個(gè)加法器，還有一個(gè)電壓比較器電路組成，負(fù)責(zé)電路的模式控制。控制部分的保護(hù)電路則由一個(gè)LM311的電壓比較器提供基準(zhǔn)電壓，然后與外部采樣回來的衰減電壓進(jìn)行比較，通過連接到兩個(gè)OP07運(yùn)算放大器的正反向端與預(yù)置電壓進(jìn)行比較，輸出高低電平，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，再經(jīng)過單

46、片機(jī)處理后，控制繼電器的斷開與接通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的過壓保護(hù)，過流保護(hù)同樣通過繼電器的斷開與連接來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　4.2 負(fù)載電路的分析與計(jì)算</p><p>　　下圖是電子負(fù)載的功率電路，它主要由8個(gè)N型的功率MOSFET管并聯(lián)組成，外加有濾波電容</p><p>　　圖4.2

47、 功率電路</p><p>　　N型MOSFET的基本特性有轉(zhuǎn)移特性和輸出特性（漏極特性）。</p><p>　　轉(zhuǎn)移特性是指在恒定的VDS下，漏極電流iD和柵-源電壓VGS之間的關(guān)系。一般情況下VDS保持不變，iD會(huì)隨著VGS的變化產(chǎn)生很大的變化，呈非線性的關(guān)系，表達(dá)式如表4.1:</p><p><b>　?。?.1）</b></p

48、><p>　　VGS與iD的比值相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，電子負(fù)載研究的主要內(nèi)容就是MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，通過改變VGS的值來調(diào)節(jié)iD的大小。其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4.3所示:</p><p>　　圖4.3 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線</p><p>　　功率電路的每個(gè)MOSFET理論上可承受100V的電壓，23A的電流，100W的功率，所以在散熱比較理想的情況下，功率可以做

49、到500W以上。</p><p>　　4.3 工作模式的分析與計(jì)算</p><p>　　根據(jù)電流變化規(guī)律的不同，可以模擬多種工作模式:模擬恒阻模式、模擬恒流模式和模擬恒壓模式</p><p>　　(1)模擬恒阻模式，理論上直流電壓源的電壓值保持不變，負(fù)載電流的大小和外接電壓值成正比，見式4.2:</p><p>　　IR =Ud/R

50、 （4.2）</p><p>　　(2)模擬恒流模式，負(fù)載電流的大小不會(huì)因被測電源電壓值的改變而受到影響，電流大小可以根據(jù)需要保持恒定，如果電壓也保持不變，等效于一個(gè)阻值恒定的電阻。</p><p>　　(3)模擬恒壓模式，當(dāng)開關(guān)時(shí)間t接近為0時(shí)，Ud=IR,外接電壓與負(fù)載電流成線性關(guān)系，此時(shí)僅僅通過調(diào)節(jié)負(fù)載電流的大小，即可得到等效的外接電壓Ud。</

51、p><p>　　4.4 驅(qū)動(dòng)電路的解析</p><p>　　由N型MOSFET的基本特性有轉(zhuǎn)移特性可知，驅(qū)動(dòng)N型MOSFET需要一個(gè)門極電壓VT，我們采用精密基準(zhǔn)源TL431來提供VT，將其與驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Vin通過加法器求和，見式4.3</p><p>　　V=VT +Vin （4.3） </p>

52、<p>　　V經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后驅(qū)動(dòng)MOS場效應(yīng)管。</p><p>　　圖4.4 功率MOS管驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.5 保護(hù)電路的分析</p><p>　　系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)欠壓、過壓、過流、過熱保護(hù)及防反接保護(hù)以及恢復(fù)等功能。欠壓，過壓保護(hù)主要采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)電路如圖4.5所示。</p><p>　　電路通過電

53、壓跟隨器OP07從輸入端采樣到衰減后的輸入電壓，經(jīng)過跟隨器后分別輸入到電壓比較器LM311的同相端或反相端和參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)滿足欠壓或過壓的條件時(shí)，LM311輸出低電觸發(fā)單片機(jī)控制繼電器切斷電路。</p><p>　　圖4.5 欠壓、過壓保護(hù)電路 </p><p>　　過流和過熱保護(hù)的實(shí)現(xiàn)是分別通過ACS712霍爾電流傳感器和溫度傳感器分別

54、檢測流入系統(tǒng)的電流和負(fù)載的溫度，當(dāng)電流超過16A或負(fù)載溫度超過80℃時(shí)，使單片機(jī)控制繼電器切斷輸入電壓，起到保護(hù)作用[9]。</p><p>　　防反接電路利用MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷來設(shè)計(jì)的，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在HOMSEMI MOSFET已經(jīng)能夠做到毫歐級(jí)，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題[10]。其電路如圖4.6 所示:</p><

55、p>　　圖4.6 防反接電路</p><p>　　5 電子負(fù)載流程圖設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 鍵盤識(shí)別處理與顯示流程圖設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是4×5的矩陣鍵盤，為防止外界其它的原因引起的誤操作并使測量準(zhǔn)確，在程序中加了消抖程序，系統(tǒng)的主要按鍵包括數(shù)字鍵0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，確定鍵，加法鍵，減法鍵，恒壓模

56、式按鍵，恒流模式按鍵，恒阻模式按鍵和復(fù)位按鍵，系統(tǒng)的簡略流程圖解如圖5.1：</p><p>　　圖5.1 鍵盤掃描子程序流程圖</p><p>　　圖5.2 按鍵處理子程序流程圖</p><p>　　5.2 電子負(fù)載計(jì)算值系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)是一個(gè)比較大的反饋回路控制系統(tǒng)，由MOS場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可知，其漏極電

57、流與柵源電壓不成線性關(guān)系，故常程序中我們采用逐次逼近的方法使電子負(fù)載的各個(gè)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)無限接近。軟件流程圖如圖5.3 所示:</p><p>　　圖5.3 算法流程圖</p><p>　　逐次逼近的方法所采用的方法為</p><p>　　Aitken 加速公式如下</p><p><b>　　(5.1)</b><

58、;/p><p><b>　　(5.2)</b></p><p><b>　　(5.3)</b></p><p>　　使測的結(jié)果與Xk 與Xk+1比較,看比較接近其中的那個(gè)，然后再以這兩個(gè)值為比較區(qū)間，與所測得的結(jié)果再進(jìn)行比較，經(jīng)過無數(shù)次的比較直到無限接近所設(shè)定的值[11]。</p><p>　　6 系

59、統(tǒng)測試與調(diào)試分析</p><p>　　調(diào)試是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)中一個(gè)不可缺少，非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，先后進(jìn)行了以下三個(gè)階段的調(diào)試工作</p><p>　　6.1 硬件測試與分析</p><p>　　此部分測試主要應(yīng)用了，500W開關(guān)電源、VC9804A+型數(shù)字萬用表；BCI-300W 10歐姆滑動(dòng)變阻器等測試儀器。</p><p>

60、　　在整個(gè)電子負(fù)載設(shè)計(jì)過程中，硬件方面的設(shè)計(jì)主要是硬件電路的設(shè)計(jì)。在畫電路原理圖過程中是分模塊設(shè)計(jì)的，根據(jù)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路，合理選取芯片的參數(shù)。由于電子負(fù)載是測試儀，要根據(jù)被測電源的電壓電流進(jìn)行選擇芯片，特別是N型增強(qiáng)型MOS管的選擇。N型增強(qiáng)型MOS管在這里既作為電流的控制器件同時(shí)也作為被測電源的負(fù)載。整個(gè)設(shè)計(jì)的參數(shù)也要根據(jù)MOS管的耗散功率、額定電壓、額定電流來選取。采樣電阻的選取也很講究要求電阻很小，要求小到毫歐。本設(shè)計(jì)采用的電

61、阻是一種錳銅電阻，專門運(yùn)用于電流采樣電路中，能夠承受較大功率，并且其電阻較小，對(duì)于電流的分流作用影響較小，功率損耗也較小，從而對(duì)電路的影響較小[12]。</p><p>　　系統(tǒng)整體電路由控制電路、鍵盤輸入部分、顯示電路、主電路和檢測電路組成，在整個(gè)負(fù)載參數(shù)確定后，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果確定運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和確定電阻的阻值，然后再根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行分塊調(diào)試。調(diào)試過程中需要逐步擴(kuò)大調(diào)試范圍，最后實(shí)現(xiàn)整機(jī)調(diào)

62、試。調(diào)試主要檢查的是單片機(jī)是否能夠成功和微機(jī)通訊、鍵盤能否正確輸入數(shù)值并實(shí)時(shí)正確的顯示在LCD上，看電路原理圖及測試結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求等。</p><p>　　總之整個(gè)硬件調(diào)試過程是為了驗(yàn)證各功能模塊的設(shè)計(jì)和制作的正確性，是否能夠正常工作，基本的數(shù)據(jù)傳輸是否有錯(cuò)誤。</p><p>　　6.2 軟件測試與分析</p><p>　　圖6.1 測試方框圖<

63、/p><p>　　如圖6.1所示將電壓表并入到前級(jí)輸入電路的輸出端，測量加在功率板的電壓，將電流表串入到前級(jí)輸入電路與功率板之間，測量輸入功率板的總電流。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)的調(diào)試與驗(yàn)證，分析結(jié)果與理論一致U=Ui；</p><p><b>　　測試數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　(1)輸入電壓為48.8V時(shí)，恒流模式測試數(shù)據(jù)記錄如表6.1所示：

64、 </p><p>　　表 6.1 恒流模式測試數(shù)據(jù)</p><p>　　由表格6.1的數(shù)據(jù)可知:恒流模式的平均誤差在0.01A左右；控制精確度約為98%</p><p>　　(2)輸入電壓為48.8V時(shí)，恒壓模式測試數(shù)據(jù)記錄如表6.2所示：</p><p>　　表 6.2 恒壓模式測試數(shù)據(jù)</p><p>

65、　　由表格6.2的數(shù)據(jù)可知:恒壓精度的平均誤差為0.025；控制精度約為96%。</p><p>　　(3)輸入電壓為48.8V時(shí)，恒阻模式測試數(shù)據(jù)記錄如表6.3所示：</p><p>　　表 6.3 恒阻模式測試數(shù)據(jù)</p><p>　　由表格6.3的數(shù)據(jù)可知:恒阻模式在100Ω以下時(shí)的精度較高，在100Ω以上的精度較低。這主要是因?yàn)?00Ω以上時(shí)，電流較小的緣

66、故，實(shí)質(zhì)上，同樣滿足要求。</p><p><b>　　(4)保護(hù)功能測試</b></p><p>　　系統(tǒng)具有欠壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓為Ud(th)=11.98 V;</p><p>　　系統(tǒng)具有過壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓為Ud(th)=50.2V;</p><p>　　系統(tǒng)具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流為Id= 12.02 A

67、;</p><p>　　系統(tǒng)具有過熱保護(hù)功能，動(dòng)作溫度為Td=80.01℃；</p><p>　　系統(tǒng)還具有防反接保護(hù)；</p><p>　　(5)總輸入電壓: 48.5V；總輸入電流: 10.5 A；功率:510W</p><p><b>　　7 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)可編程

68、直流電子負(fù)載有以下特點(diǎn):</p><p>　　(1)采用STC12C5A60S2低功耗單片機(jī)為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)智能控制，即不改變硬件的情況下，可以通過在程序調(diào)用不同的控制策略來模擬電源測試時(shí)的各種工作需要。</p><p>　　(2)能夠?qū)崿F(xiàn)恒流，恒壓，恒阻等模式下正常工作。</p><p>　　(3)易于控制加載和去載，便于負(fù)載調(diào)節(jié)。</p>&l

69、t;p>　　(4)能夠直接檢測被測電源的電流、電壓及功率值，各個(gè)參數(shù)都能直觀的在液晶上顯示。</p><p>　　(5)因其是可編程的,故負(fù)載的大小，加載以及卸載時(shí)間、加載速率均可以設(shè)定程式自動(dòng)控制，其測量范圍：</p><p>　　電壓范圍:0V——48V 電壓精度:0.025V。</p><p>　　電流范圍:0A——10A 電流精度:0.01

70、A。</p><p>　　本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的恒流控制:能夠檢測被測電源的電流、電壓及功率并由液晶顯示。在額定使用環(huán)境下，恒流方式時(shí)不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內(nèi)），電子負(fù)載將根據(jù)設(shè)定值來吸收電流，使流過該電子負(fù)載的電流恒定。在各個(gè)模式下具有較好的精確度。功率達(dá)到了500W以上，在散熱條件更好的情況下，功率可以做到更高。以下幾個(gè)方面可以使系統(tǒng)的精確度和功率做的更高。(1)采用高精度的霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)檢測電

71、路的總電流；(2)采用更高速單片機(jī)作為控制器，同時(shí)還可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間；(3)驅(qū)動(dòng)電路采用更加精密的誤差放大器[13]。</p><p>　　此電子負(fù)載能很好的替代傳統(tǒng)的測試方法中采用的電阻，可以更簡單、更快捷、更可靠地對(duì)電源、變壓器等電子設(shè)備進(jìn)行輸出特性的測試。但是，本設(shè)計(jì)還存在著很多不足，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的精確度不是很高和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較慢的問題上。只有采用更高精度取樣電阻和PWM控制方式、更高精度