基于 DSP 的電子負載----電子負載系統設計方案

2.4電子負載系統設計方案

2.4.1直流電子負載的原理

穩態(tài)下，直流電源只有阻性負荷，動(dòng)態(tài)下阻感性負荷如下圖1.5中a所示，阻容負載如下圖2.9中的b所示，設被測試電源的輸出電壓為Udc，方框內是等效的模擬阻感負載和阻容負載的負載單元。

Figure 2.9 equivalent circuit上圖為外接電源帶阻感或阻容負載時(shí)的電路圖，由圖可以得到他們的電路方程為：

求解方程式，則得：

由上式可知，負載單元里的負載電流I_RL或I_R是按照上式2.3和2.4來(lái)變化的，根據負載電流變化的規律，可分為模擬恒流模式，模擬恒阻模式，模擬恒壓模式。

（1）模擬恒流模式，負載電流與外接被測試電源電壓無(wú)關(guān)，電流保持恒定不變時(shí)，在電壓恒定下，相當于一個(gè)阻值不變的電阻。

（2）模擬恒阻模式，穩態(tài)下直流電壓源電壓為恒定不變的值負載電流和外接電壓成線(xiàn)性關(guān)系變化。

（3）模擬恒壓模式，在每次開(kāi)關(guān)時(shí)間很小t近似于零的情況下，U = I_RCR、U = I_RLR，只要調節負載電流大小，就可以得到外接等效電壓U.直流電子負載正是利用負載模擬方法，采用對負載電流調節方法，使控制環(huán)的可調節電流與檢測的輸入電壓滿(mǎn)足特定的規律，當負載電流和非線(xiàn)性負載電流特性曲線(xiàn)近似的情況下，即可模擬非線(xiàn)性負載。

2.4.2直流電子負載的設計結構

對功率變換電路進(jìn)行測試，需要建立一個(gè)負載電路，安全的消耗功率轉換器的最大功率。有兩種方法可以實(shí)現功率消耗，一種過(guò)去和現在常用的是用額定的大功率電阻，能耗得方式消耗功率……第二種就是采用電子負載。由一個(gè)可控開(kāi)關(guān)（用雙極型晶體管或MOSFET管）組成的電路，調節所需的電流值。MOSFET操作速度快，不會(huì )產(chǎn)生靜態(tài)的功率損耗，最大的優(yōu)勢是在直流信號上，MOSFET柵極阻抗無(wú)窮大，相當于開(kāi)路，理論上不會(huì )有直流從柵極流向電路的接地點(diǎn)，形成完全由柵極電壓控制的電壓控制型器件，比電流控制型雙極型晶體管BJT更加省電，而且更易驅動(dòng)。因此設計的直流電子負載采用MOSFET為其控制器件。

現有電子負載大都是采用模擬控制環(huán)節，或采用低端的單片機作為控制芯片，控制環(huán)的電流調節困難并且實(shí)時(shí)性差，難以適應不同電源供應器的具體情況?，F代的32位DSP控制器，如TMS320F280X具有實(shí)時(shí)代碼處理能力，極大的方便了電源設計者在高頻段的應用。TMS320F28x系列其強大的CPU處理能力可以運行非線(xiàn)性控制算法，整合多種控制策略，優(yōu)化系統設計從而達到減低系統設計成本。用DSP來(lái)實(shí)現數字電子負載即用DSC取代傳統電子負載上的MCU，調用不同控制算法來(lái)實(shí)現高精度的控制要求，將數字處理器通過(guò)其輸入端連接外部設備，接收用戶(hù)發(fā)出的指令和電壓電流反饋值，生成所需的輸出波形到驅動(dòng)放大電路的輸入端，控制驅動(dòng)放大電路內部相應的模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作，進(jìn)而改變輸出到MOS管柵極的電壓值。

電子負載系統采用“TMS320LF2812通過(guò)A/D轉換、串口通訊、LCD顯示、鍵盤(pán)操作何電壓控制實(shí)現功率板電路控制的技術(shù)方案，集檢測、控制、變換、顯示等功能于一體的設計方法。初步研制功率為100W，電流范圍在0-16A，電壓范圍在0-60V的直流電子負載，實(shí)現恒流、恒壓、恒阻等工作模式。

圖2.10中，MOS管電路為電子負載主電路，TMS320LF2812為核心處理器，進(jìn)行控制算法的調用和實(shí)現，D片上A/D轉換器完成對測試電源狀態(tài)數據的采集和反饋，鍵盤(pán)、LCD實(shí)現人機交互，串口通訊采用RS232標準實(shí)現和上位機的通訊。D/A轉換模塊輸出一定大小的電壓控制信號，控制功率電路MOS管的導通和關(guān)斷，來(lái)獲得實(shí)際所需的工作電流、電壓。電路中的檢測電路為電壓、電流負反饋回路，通過(guò)A/D采集到DSP中數據，與預設值進(jìn)行比較，作為DSP調節控制電壓大小的依據。

2.4.3 MOSFET的建模

隨著(zhù)信息化的發(fā)展和電腦性能的增強，計算機輔助設計成為電子設計領(lǐng)域的主流手段。模擬電路中的電路分析、數字電路中的邏輯模擬，甚至在印制電路板、集成電路版時(shí)都開(kāi)始采用計算機輔助設計來(lái)加快設計效率。在電子設計領(lǐng)域常用的仿真軟件有PSpice、MATLAB、multisim等，每個(gè)仿真軟件應用的側重點(diǎn)不同，針對研究所用的電子負載，我們選用了PSPICE和MATLAB為最初的兩個(gè)仿真軟件。

PSpice軟件功能強大、元器件庫豐富、仿真度高，可以對各種各樣的電路建立仿真電路，模擬電路的工作原理，幾乎可以完全取代電路和電子電路實(shí)驗中的元器件、信號源、萬(wàn)用表和示波器，相當于一個(gè)電子電路虛擬的實(shí)驗室。PSpice一般采用圖形的方式來(lái)描述需要仿真的電路，先打開(kāi)PSpice提供的繪圖編輯器，調出模型庫里需要的元器件，輸入元器件及模型的參數，連接元器件畫(huà)出相應的電路圖，定義各個(gè)元器件的類(lèi)型和輸出變量參數，運行電路仿真程序。電子負載所用到的場(chǎng)效應管為MOSFET的輸出特性是指在恒定的柵-源電壓Vgs下，漏極電流Id和漏-源電壓ds V之間的關(guān)系。轉移特性是指在恒定的Vds下，Id與Vgs的關(guān)系，如果Vds保持不變，Vgs改變的話(huà)，Id將會(huì )在很大的范圍內變化，此時(shí)Id與Vgs的比值可以看作是個(gè)可變電阻，MOSFET的轉移特性曲線(xiàn)就是電子負載研究的內容。下圖2.11MOSFET電路連接圖和仿真測試轉移特圖。

由PSice得到的轉移特性圖，可以取得一組可靠的Id和Vgs數據進(jìn)行MATLAB下MOSTEF建模。電子負載系統設計的最大測試電流是16A，所以研究16A以下的MOSFET的轉移特性，下表2.1所示為PSice下仿真數據。

Simulink是MATLAB的一個(gè)工具包，它和使用者是基于windows的模型化圖形輸入，模型化圖形輸入讓使用者可以花更多精力在模型的構建而不在語(yǔ)言的編程上，Simulink里面提供了一些按照功能分類(lèi)的模塊，使用者只需知道模塊的輸入、輸出及模塊的功能，不必考慮模塊內部構造，通過(guò)對這些模塊的調用，連接起來(lái)就構成所需的模型。根據上表2.1得到的MOSFET轉移特性參數表，在MATLAB軟件的Simulink平臺下，用Lookup tables模塊構建非線(xiàn)性仿真模塊，可以模擬MOSFET轉移特性，進(jìn)行簡(jiǎn)易的MOSFET管的非線(xiàn)性模型構建和電子負載控制系統仿真。

在Simulink模塊中點(diǎn)擊選擇“Lookup Tables”，也就是所謂的查詢(xún)表模塊，在Lookup tables的功能參數設置中的vector of input values和vector ofoutput values輸入表2.1的Vgs和Id的數值，進(jìn)行線(xiàn)性插值曲線(xiàn)擬合，用查表法近似一維函數，建立輸入信號查詢(xún)表，搭建出MOSFET的簡(jiǎn)易模型?？紤]到設計的電路中運算放大器等模擬器件的慣性滯后性，在主回路里加入一階慣性環(huán)節，使輸出延緩地反應輸入量的變化規律，時(shí)間常數設定為100微妙，E_source為外接電源的值，設定為30V，DSP輸出輸入信號最大為3.3V，加入3.3V限幅模塊，設置正負幅值，模擬主回路的飽和特性。模擬電子負載如下圖2.12所示。

設計好簡(jiǎn)易的電子負載模型后，在Subsystem模塊中，對電子負載模型進(jìn)行封裝，命名為電子負載，如下圖2.13所示，對建立電子負載模型進(jìn)行階躍響應測試圖如下所示。