簡(jiǎn)易直流電子負載的設計與實(shí)現*

*項目基金：2018—2020年廣西本科高校特色專(zhuān)業(yè)及實(shí)驗實(shí)訓教學(xué)基地（中心）建設項目：百色學(xué)院“電子信息工程”特色專(zhuān)業(yè)（批準文號：桂教高教〔2018〕52號；編號：119）；2019年信息工程學(xué)院工程碩士專(zhuān)業(yè)學(xué)位授權點(diǎn)（電子信息）項目資助

作者簡(jiǎn)介：盧翠珍（1969—），女，廣西橫縣，漢族，本科，高級講師，研究方向：電路設計與維修。

0   引言

在智能化電子產(chǎn)品給人們的工作生活帶來(lái)極大便利的當今社會(huì )，其內部電源性能的好壞和穩定性將對人們高品質(zhì)生活產(chǎn)生直接的影響^[1]。對于低壓直流電源的小型產(chǎn)品來(lái)講，如何精確、快速測試其負載能力是電子行業(yè)鉆研的問(wèn)題^[2]。傳統測試方式是采用大功率電阻、滑線(xiàn)變阻器等充當測試負載。而傳統負載體積大，在長(cháng)期大電流測試情況下容易發(fā)熱而造成老化或燒損，致使測試效率和精度降低，無(wú)法滿(mǎn)足小型化電子產(chǎn)品對恒壓、恒流負載的要求^[3]。

基于上述傳統測試方法存在的不足，同時(shí)為了適合隨頻率、時(shí)間變化而發(fā)生改變的被測電源，設計并制作一款簡(jiǎn)潔、實(shí)用、方便的直流電子負載?？稍O置恒定電壓范圍1 ～ 20 V 和恒定電流范圍100 mA ～ 3 A 內任意可調，通過(guò)矩陣按鍵能精確設置需要恒定的電壓和電流值，并通過(guò)LCD12864 液晶屏顯示電流、電壓、調整率等相關(guān)電參數，方便實(shí)驗室和學(xué)生開(kāi)發(fā)電路調試使用。

1   設計思路

系統由單片機核心控制模塊、電壓電流檢測模塊、A/D 與D/A 轉換模塊、恒壓恒流控制模塊、模式切換模塊、功率控制模塊、過(guò)壓保護模塊、系統供電模塊等八個(gè)部分組成。具體設計思路是：首先用電壓電流檢測電路對輸入被測電源的電壓和回路電流在采樣電阻（康銅絲）兩端所產(chǎn)生的電壓值進(jìn)行采樣，分別形成電壓、電流檢測信號，然后經(jīng)外置A/D 轉換器送入單片機進(jìn)行相應數據處理，直接顯示被測電源的電壓值和電流值。恒壓恒流控制部分由矩陣按鍵設定待測恒定電壓和電流值，經(jīng)單片機內的A/D 處理后，一方面直接顯示設定值，另一方面經(jīng)D/A 數模轉換模塊輸出相應的參考電壓，通過(guò)電壓比較器比較經(jīng)前一級運放電路處理后與反饋到后級運放反相輸入端的被測電壓和被測電流，從而得到控制功率管導通量的電壓或電流控制信號，進(jìn)而實(shí)現恒壓恒流控制。此外，可以通過(guò)兩個(gè)獨立按鍵實(shí)現恒壓（CV）與恒流（CC）工作模式的切換和負載調整率的測定。當被測電源電壓大于可測量最高恒定電壓且達到一定數值時(shí)，通過(guò)單片機控制功率管截止來(lái)達到過(guò)壓保護的目的。系統設計原理如圖1 所示。

2   硬件電路設計

2.1 功率控制及工作模式切換電路

功率控制電路主要由水泥電阻R30、R32 和R33、N-MOS 管（IRF3205）、采樣電阻（康銅絲0.1R）、偏置電阻R34、RB1 及電容CG1、CG2、C26、C27、C29 等構成。根據本設計要求，N-MOS 管選擇IRF3205，它具備極低導通阻抗，R_DS(on)Max = 8.0 mΩ，持續漏極電流高達110 A（TC=25 ℃），漏極功率消耗PD 高達200 W（TC=25 ℃）。圖2 中的肖特基二極管D2（SK54）起到保護N-MOS 管的作用；由于本設計要求恒壓高達20 V，水泥電阻R32 和R33 采用串聯(lián)，以起到限流的作用^[4]。

若不用水泥電阻R32 和R33，當高達20 V 恒壓輸出時(shí)，得到：

遠大于IRF3205 的最大I_D=110 A(TC=25 ℃ )， 會(huì )把IRF3205 永久燒壞。若用阻值為0.15R 的水泥電阻R32和R33 串聯(lián)，當高達20 V 恒壓輸出時(shí)，得到：

比110 A（TC=25 ℃）小得多，故IRF3205 可正常工作。

恒壓（CV）與恒流（CC）工作模式的切換可由555 定時(shí)器與外圍電阻電容組成單穩態(tài)觸發(fā)器控制繼電器的動(dòng)作來(lái)實(shí)現^[5]，也可用單片機控制；本設計采用R17、RA1、Q4、D1 和5 V 直流繼電器組成的單片機控制模式。當按下工作模式獨立按鍵時(shí)，單片機的I/O端輸出低電平，使三極管Q4 導通，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，從而使工作模式從CV 切換到CC。

圖2 功率控制及工作模式切換電路

2.2 恒流控制電路

在圖3 所示的恒流控制電路中，DA_C 為矩陣按鍵所設置的恒定電流值經(jīng)單片機內部A/D 數據處理后，由D/A 轉換器輸出參考電壓。由于本設計要求恒定電流的調節范圍為100 mA ～ 3 A，而圖2 中的電流采樣電阻RSC1 阻值為0.1 Ω， 因此采樣電壓的范圍為，為了使參考電壓 DA_C 與采樣電壓進(jìn)行有效比較，首先把參考電壓DA_C 經(jīng)第一級同相比例放大器縮小10%，然后送到后級電壓比較器的同相輸入端，與反相端電流檢測電阻RSC1 上的反饋電壓進(jìn)行比較，當流入直流電子負載的電流增大時(shí)，反饋電壓增大，若大于同相端的參考電壓，比較器輸出低電平，使功率管的導通量減少，電流減少；反之，當流入直流電子負載的電流減少時(shí)，反饋電壓減小，若小于同相端的參考電壓，比較器輸出高電平，使功率管的導通量加大，電流增加；可見(jiàn)，恒流控制是通過(guò)比較器輸出的高低電平來(lái)控制功率管IRF305 的導通程度而實(shí)現的。在恒流工作模式下，按照所設定的電流值，流入直流電子負載的電流維持恒定，與輸入電壓不相干，但與被測電源所能提供的最大電流有關(guān)。當MOSFET 在線(xiàn)性工作區工作實(shí)現恒流時(shí)，MOSFET 發(fā)熱量很大，因此需要用散熱器來(lái)降低MOSFET 溫度；MOSFET 在耗散功率工作時(shí)，自身溫度也會(huì )升高，所以必須通過(guò)加快散熱的方式才能保證MOSFET 正常工作^[6]。

圖3 恒流控制電路

3.3 恒壓控制電路

所謂恒壓工作模式，就是流入直流電子負載的電流無(wú)論如何變化，其兩端電壓都將保持不變。電路結構與恒流控制大同小異，只是同相比例放大器的反饋電阻和平衡電阻參數不同而已，如圖4 所示。由于按鍵所設定的電壓值產(chǎn)生的參考電壓DA_V 比較低，不超過(guò)5 V，而本設計中要求的恒定電壓范圍為1~20 V，也就是采樣電壓比較大，為了與參考電壓在同一個(gè)數量級上，先把采樣電壓經(jīng)第1 級運放組成的同相比例放大器縮小0.2 倍，即U采=0.2Ui=(0.2 ～ 4) V，再送入第2 級集成運放組成的電壓比較器的同相輸入端，與加在反相輸入端的參考電壓D_{A_V} 比較。當輸入電壓增大，大于參考電壓時(shí)，比較器輸出高電平，使功率管的導通量增加，柵漏電阻R_DS 減小，輸入電壓降低，實(shí)現恒壓工作。

圖4 恒壓控制電路

3.4 電流電壓采集電路

為了能夠實(shí)時(shí)顯示直流電子負載接入被測電源后的輸入電壓和輸入電流的數值大小，須使用圖5 所示的電流電壓檢測電路。

圖5 電流電壓檢測電路

因系統的輸出電流和電壓的精度主要取決于采樣電阻的精度和溫漂，如果是使用普通電阻，則溫漂大，阻值的大小受環(huán)境影響比較大，從而使電流、電壓的輸出精度和測量精度受到影響^[7]。所以本設計中采用0.1 Ω 的康銅絲作采樣電阻，同時(shí)使用較低輸入偏置電流和較低輸入失調電壓的集成運放OP07C。采樣電阻在設定電流范圍內采樣到的電壓只有0.01~0.3 V，為了便于A(yíng)DS7816 模數轉換器轉換數據，首先把電流檢測電阻上的反饋電壓通過(guò)同相比例放大器10 倍得到0.1~3 V， 即為送到ADS7816 的電流檢測信號ADC+，如圖5 中左圖所示。因為ADS7816 的輸入參考電壓局限于100 mV~5 V，分辨率為12 位，電壓高達24 μV~1.22 mV。同時(shí)，本設計的恒定電壓范圍比較高，為1~20 V，所以需要通過(guò)由OP07C 組成的同相比例放大器縮小0.15 倍，得到0.15~3 V 的電壓檢測信號ADV+，如圖5 中右邊電路所示。在電壓檢測電路中，根據運放的虛短、虛斷分析，得到關(guān)系式^[8]：

若

則

其中，為放大器的增益。故通過(guò)上述電路可得到相應的電壓檢測信號ADV+ 或電流檢測信號ADC+，為ADS7816 芯片提供模數轉換信號。

3.5 A/D模數轉換電路

模數轉換器采用ADS7816，它具有200 kHz 采樣頻率、低功耗運行、自動(dòng)斷電、同步串行接口、差分輸入等特點(diǎn)。使用外部電壓4.096 V 輸入到參考端Vref，使其采樣電壓可以達到1 mV 分辨率。芯片第7 引腳（DCLK）是串行時(shí)鐘脈沖輸入，它控制ADS7816 的轉換速率。電壓電流的A/D 轉換電路如圖6 所示。過(guò)壓保護電路相對比較簡(jiǎn)單，可利用單片機對檢測到的電壓進(jìn)行數據處理后與設定值進(jìn)行比較，以控制繼電器的通斷狀態(tài)來(lái)達到保護目的。

圖6 A/D模數轉換電路

4   軟件設計

系統軟件部分可通過(guò)矩陣按鍵設定恒定電壓與電流值，利用兩個(gè)獨立按鍵分別實(shí)現（CV）與（CC）工作模式切換，用LCD12864 液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示被測電源的電壓值、電流值以及相應的設定值。關(guān)于軟件編程這里不做詳細介紹。

5   數據測量

5.1 電路測試方案

測試時(shí)，可使用IT8512C 可編程直流電子負載直接測量，或使用IT6322A 電源為被測電源和3 位半數字萬(wàn)用表等各種測量?jì)x表對各個(gè)參數進(jìn)行測量，由獨立按鍵完成恒壓和恒流工作方式的切換。當測試恒壓或恒流時(shí)，IT8512C 可編程直流電子負載的工作模式設置在恒阻（CR）模式下，并串聯(lián)到回路中相當于1 個(gè)負載的大小，這樣可直接測量出回路的電流。

5.2 電路測試數據

1) 恒壓（CV）工作方式下的設定電壓測試

將IT6322A 電源作為被測電源接入直流電子負載，由矩陣按鍵進(jìn)行恒定電壓值的設置，用數字萬(wàn)用表測量負載兩端電壓值，并將測出數據填入表1。

根據測試結果分析可知，本設計可調恒定輸出的電壓范圍符合題設（1 ～ 20 V）要求。

2) 在恒流（CC）工作方式下，設定電流的測量將電路工作模式切換為（CC）模式，并把IT8512C可編程直流電子負載和IT6322A 電源接入電路，通過(guò)矩陣按鍵設置某一電流值，用數字萬(wàn)用表電流檔測量不同設定電流值下的實(shí)際電流，或由IT8512C 可編程直流電子負載直接測量，所得數據如表2 所示。

由上述測試數據可知本設計的相對誤差在5% 以?xún)取?/p>

3) 在電子負載兩端電壓改變10 V 時(shí), 不同設定電流值下的輸出電流的變化量

在恒流（CC）工作方式下，輸入被測電源的電壓由IT6322A 電源供應并設為U1 ，在設定電流的狀態(tài)下的回路電流記為I1 ，當把U1 改變使之變成= +10 V（并要求U2 ≤10.5 V ）時(shí)，測得的回路電流為I2 ，并且 。如表3 所示。

可見(jiàn)，在直流電子負載兩端電壓改變10 V 時(shí)，不同的設定電流下電流輸出變化的絕對值小于1%。

4) 過(guò)壓保護測試數據

改變輸入被測電源電壓，觀(guān)察直流電子負載在不同電壓值下的輸出顯示，并把測出的數據填入表4。

從測試數據來(lái)看，系統在輸入被測電源電壓小于20.8 V 時(shí)，為正常輸出；大于20.8 V 時(shí)，輸出為0，即系統具有過(guò)壓保護功能。

5) 負載調整率的測試

電源負載調整率的測試是在保證外部直流電源電壓不變的條件下，分別測量?jì)煞N不同負載在設定電流為100 mA、1 500 mA 和3 A 三種情況下被測電源電壓的大小，求出最大和最小電流時(shí)的測量電壓與滿(mǎn)載電流為50% 時(shí)的電壓差值，取兩個(gè)差值中的最大值與滿(mǎn)載電流為50% 時(shí)的電壓值的比值，如表5 所示。

6   結束語(yǔ)

在恒壓、恒流工作方式下，通過(guò)對測試數據分析可知，測量值的分辯率可達到10 mV 和1 mA，且相對誤差小于5%；在電子負載兩端電壓改變10 V 時(shí)，恒流工作方式下輸出電流變化的絕對值小于變化前電流值的1%。本設計還具備了測量精度接近1% 的自動(dòng)測量直流穩壓電源負載調整率的功能。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）