可编程直流电子负载的设计与研究.docx

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可编程直流电子负载的设计与研究

目录

摘要I

关键字I

AbstractI

KeywordsII

1前言1

2设计任务与要求3

2.1设计任务3

2.2设计要求4

2.2.1基本要求4

2.2.2发挥部分4

3设计方案的选择与论证5

3.1电子负载的工作原理5

3.1.1恒定电流模式5

3.1.2恒定电阻模式5

3.1.3恒定电压模式6

3.2系统整体设计方案论证7

3.2.1负载器件选择7

3.3负载工作模式的论证与选择7

3.3.1恒流方案7

3.3.2恒阻方案8

3.3.3恒压方案8

3.4电压电流检测方案论证与选择9

3.5保护电路方案的选择9

4可编程直流电子负载硬件的分析与计算10

4.1系统总体方框图10

4.2负载电路的分析与计算11

4.3工作模式的分析与计算12

4.4驱动电路的解析13

4.5保护电路的分析13

5电子负载流程图设计15

5.1键盘识别处理与显示流程图设计15

5.2电子负载计算值系统流程图设计16

6系统测试与调试分析17

7结论21

参考文献23

致谢24

附录A可编程直流电子负载的供电电源25

附录B设计实物图28

可编程直流电子负载的设计与实现

摘要

本设计采用8个100W的MOS增强型功率场效应管并联连接作为电子负载，采用STC12C5A60S2低功耗单片机作为控制核心，控制电子负载的工作模式和系统的参数，电流、电阻、电压的数值可以通过键盘对其进行任意设置，而且还能够实时显示到液晶显示屏上。

恒流模式电流的可调范围为0-10A，恒压模式电压的可调范围为5V-40V，恒阻模式电阻的可调范围为10-200Ω，电子负载的计算采用了逐次逼近法使电子负载的各个参数与设定参数无限接近，所以系统的准确度高，稳定性强，同时还具有过压、欠压、过流、过热及防反接功能。

关键字

STC12C5A60S2;电子负载;场效应管;恒流

DesignandRealizationoftheProgrammableDCElectronicLoad

Abstract

Thedesignadopted8enhancedpowerMOSFET（100W）connectedinparallelaselectronicload,andadoptSTC12C5A60S2lowconsumptionSCMasthemaincontrollertocontroltheelectronicload'sworkingmodeaswellasitsparameters,thefigureofcurrentresistanceandvoltagecanberandomlysettedthroughthekeyboard,andit'scanalsobedisplayedintheLCDsimultaneous.Adjustableextentforconstantcurrentmodeisbetween0Ato10A,forconstantvoltagemodeis5V-40V,andforconstantresistancemodeis10-200Ω,theelectronicloadadoptsuccessiveapproximationtomakeitsparametersinfinitelyclosetothefigureswhichhavebeensettedbefore,thereforethesystemhavehighaccuracyandstability,andalsohavefunctionwhichcanguardagainstover-voltage,owepressure,overflow,overheating,andwrongconnecting.

Keywords

STC12C5A60S2;Electronicload;MOSFET;Constantcurrent

1前言

在人们生活的多个领域都要用到负载测试，如充电电源试验、蓄电池放电试验以及衡量购买电池、电源的特性时等都需要负载测试。

当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载（如电阻、电阻箱、滑线变阻器等）能耗放电的办法进行，此种方法存在操作不方便，散热性欠佳，准确率低等缺陷[1]。

随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测技术带来了革命性的变化。

由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制、无线通信、计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电源，电子负载被广泛用于生产线（手机充电器，手机电池，电动车电池，开关电源，线性电源），科研机构，汽车电子，航空航天，船舶，太阳能电池，燃料电池等行业[2]。

因于人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。

而传统的电源检测技术面临着极大的挑战。

为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测，大力发展动态负载或是可编程的电子负载变得越来越重要。

所谓动态带载，就是电子负载做模拟的变化带载，也叫瞬态。

其有几个重要的参数。

变化斜率笼统的说是电子负载可以完成的变化速度，精确地说是电子负载变化时，从变化量的10%～90%的变化速率。

恒流状态下的单位是A/ms，A/us[3]。

响应时间:

电子负载可以完成变化的最小时间单位为us。

电子负载的动态（瞬态）频率分为两种，动态频率（只包含一个上升沿或者一个下降沿，或者说单位时间变化的次数），瞬态频率（一个周期包含上升沿与下降沿）。

从电源类型来看，电子负载可分为直流电子负载和交流电子负载两种。

直流电子负载比起交流电子负载，应用的历史较长，范围更广。

最初在实验室，利用电力电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载，可以实现定电阻、定电压等特性。

随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载中，逐步可实现定电流模式和可编程斜率模式。

单片机技术与变换器电路的密切结合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下，如定功率模式、动态电阻模式、短路模式、恒流与恒压模式、恒阻与恒压模式。

此外可编程电子负载还有以下特点:

（1）过流，过压，过功率，过热，极性反接保护；

（2）高亮度，真空VFD屏，双排四路同步显示；

（3）根据温度变化，无极伺服智能风扇系统；

（4）电路软启动时间设定，可根据设定电压值带载；

（5）电池测试及短路功能；

（6）提供动态测试，上升下降斜率设定；

（7）支持外部触发输入，输出；

（8）提供外部电流波形监视端子；

（9）支持远端电压补偿，多个数据存储；

（10）开机自检，软件校正，标准仪器架设计[4];

随着电子负载的进一步研究与功率场效应晶体管（MOSFET），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和场效应晶闸管（MCT）等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，变换器能更好的将一种电能变为另一种或多种形式的电能，交流电子负载也得到了实现。

交流电子负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置，它能模拟一个固定或变化的负载，甚至将试验的电能反馈回电网，其设计初衷是交流电源出厂试验。

交流电源出厂试验通常采用电阻箱耗能的办法，它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等缺点，而采用交流电子负载进行试验可有效克服这些缺点，它可使试验更加简单、灵活，且大大降低试验的成本。

可编程直流电子负载还可以模拟真实环境中的负载（用电器）。

应该说所有的电源厂家都会有用，而且也必须有。

由于电子负载在应用方面问题，直流电子负载应用比较广泛，可编程直流电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、可编程、体积小、重量轻、成本低、功率高、效率高等优点，由于可编程电子负载所具有的性能和优点，其被越来越多地应用到各种试验场合。

因此电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景[5]，本文将主要介绍可编程直流电子负载的设计与实现。

2设计任务与要求

2.1设计任务

设计一款可编程的直流电子负载，要求其具有电流、电压、和电阻模式，功率达到500W以上。

2.2设计要求

设计一个有单片机控制的可编程直流电子负载，其由液晶显示,具有中文菜单,能实时显示电压、电流数据，并具有过压、欠压、过流、防反接保护和过热保护等功能，要求有恒阻、恒电流工作模式，恒阻模式可预置电阻值，功率不小500W。

2.2.1基本要求

（1）恒流模式下电子负载流入电流Io可设定，范围为0.5-5A；以0.1A为步进，并显示设定电流、实际电流（即Io），电流误差≤±0.1A。

（2）恒压模式下电子负载端电压Uo可设定，范围为12-40V；以0.1V为步进,并显示设定电压、实际端电压（即Uo），电压误差≤±0.1V，纹波有效值＜0.1V。

（3）实时显示工作时长、机内温度。

（4）电子负载功率不小于500W。

2.2.2发挥部分

（1）设计基本要求电流范围为0.5-5A；电压范围为12-40V，设计负载电流范围为0-10A，控制精度达98%；恒压模式下:

负载电压范围为5V-40V（非总输入电压），控制精度达96%，精度较高。

（2）设计采用STC12C5A60S2低功耗单片机为控制核心，在散热较好的条件下，功率可达到500W以上。

（3）电路的采用了银线连接和高精度的霍尔电流传感器实时检测电路的总电流，总电流可达到12A以上。

（4）设计需要进一步降低设计的制作成本，提高功率，降低功耗。

3设计方案的选择与论证

3.1电子负载的工作原理

电子负载，顾名思义，是用电子器件实现的“负载”功能，其输出端口符合欧姆定律。

具体地说，电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备[6]。

电子负载一般具有定电流、定电压、定电阻、定功率、短路及动态负载多种模式，可以模拟各种不同的负载状况，其可用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。

它能够准确检测出负载电压,精确调整负载电流,同时可以实现模拟负载短路,模拟负载可以是感性、阻性和容性。

它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻这三种。

3.1.1恒定电流模式

在定电流模式中,在额定使用环境下,不论输入电压大小如何变化电子负载将根据设定值来吸收电流。

若被测电压在5～10V变化，设定电流为100mA，则当调节被测电压值时，负载上的电流值应维持在100mA不变,而此时负载值是可变的。

定电流模式能用于测试电压源及AD/DC电源的负载调整率。

负载调整率（LOADREGULATION）是电源负载的变化会引起电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高，负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定的输出电压的能力,是电源输出电压偏差率的百分比，是衡量电源好坏的指标。

3.1.2恒定电阻模式

在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比例，即电子负载将吸收与输入电压成线性变化的负载电流。

若负载设定为1kΩ,当输入电压在1～10V变化时,电流变化则为1～10mA，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。

恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过MCU检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为10欧时，MCU检测到输入电压为20V，那么会控制输出电流为2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢且要求不高的场合。

专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。

在恒阻功能状态下，负载如纯电阻，吸收与电压成线性正比的电流。

此方式适用于测试电压源、电流源的启动与限流特性等应用。

3.1.3恒定电压模式

恒定电压模式是指电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。

但前提是要在额定功率之下，即不能超过系统它所能承受的最大电流，图3.1中MOS管上的电压经R3与R2分压后送入运放IN+与给定值进行比较，如图所示，当电位器在10%时IN为1V，MOS管上的电压应为2V，恒定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。

另外,负载可以模拟电池的端电压,故可以使用于测试电池充电器。

图3.1恒定电压模式原理图

3.2系统整体设计方案论证

3.2.1负载器件选择

电子负载的耗能元件通常有晶体管，场效应管，绝缘栅双极性晶体管等。

其中普通晶体管的功率较小，而绝缘栅双极性晶体管作为负载时，其电路较为复杂，且纹波较大。

场效应晶体管（MOSFET）具有控制灵敏度高、工作速度快、既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载，场效应晶体管（MOSFET）在工作时相当于开路，其电阻巨大，在实际工作中不会产生静态的功率消耗。

在设计直流电子负载的时候我们采用场效应晶体管（MOSFET）作为功率消耗元件[7]。

3.3负载工作模式的论证与选择

3.3.1恒流方案

方案一：

电阻采样反馈法，在功率MOS管的源极串接采样电阻，将电流转换成电压，反馈至高增益误差放大器的反相端。

在同相端输入固定电压，当反相端的电压等于同相端的电压时，功率MOS管的电流就恒定，即电流与同相端电压成正比例关系。

方案二：

电流直接采样法，通过霍尔电流传感器检测流入电子负载的总电流，与设定电流相比较，看电流是否达到系统设定的电流值，通过一定的算法控制DA输出电压，进而控制功率MOS管的导通量来控制电流。

方案一与方案二相比，由于采样电阻的功率太小，使电子负载可流入的电流受到很大的限制，远远无法满足题目的要求，方案二的缺点是系统响应速度较慢，但可以通过较大的电流。

综合考虑，我们选择方案二。

3.3.2恒阻方案

方案一：

硬件实现法，将功率MOS管的端电压V采样至误差放大器的同相端，将功率MOS管的电流I采样转换成电压至误差放大器的反相端，根据欧姆定律:

R=V/I，实现恒阻。

方案二：

软件实现法，在恒流的基础上，通过AD将功率MOS管的端电压计算出电流来实现恒阻。

电阻采样反馈法的存在较大误差，软件实现法快速准确，避免了硬件电路因设计缺陷和电子元器件的相互影响所带来的干扰。

基于上述的我们选择方案二。

3.3.3恒压方案

恒压电路模块功能实现有两种方案:

方案一：

三极管放大比较法，此方案中三极管的基极和发射极分别相当于比较器的负、正输入端。

这样的电路可以实现恒压功能，但是误差比较大，同时还有较大的功率损耗。

方案二:

运放放大比较法，通过将采样电压和参考电压输入到运放的同相端和反相端进行比较来控制运放的输出量，进而控制功率MOS管的导通量。

此方案电路实现简单，误差和损耗较小，是非常理想的方案。

综上所述比较故采用方案二。

3.4电压电流检测方案论证与选择

方案一：

采样放大检测。

此方案是通过在电路中串入采样电阻将电流转换成电压，再进行放大和A/D转换送给单片机进行处理。

方案二：

电流传感器检测。

直接将霍尔电流传感器串到电路中，传感器自动将电流精确地转换成电压，不用进行放大就可以通过A/D转换送给单片机进行计算处理。

霍尔电流传感器具有响应速度快，测量精度高，线性度好等优点[8]。

综合以上考虑，方案二相对于方案一具有准确度高，电路简单，功耗小等优势，故选用方案二。

3.5保护电路方案的选择

通过采样输入电压与参考电压相比较，当达到欠压或者过压的条件时，通过触发单片机控制继电器切断电源，达到欠压和过压保护的目的。

由于系统采用霍尔电流传感器检测输入电流，当单片机的检测到电流超过最大电流时，同样是通过控制继电器切断电源，达到过流保护的目的。

利用MOS管的开关特性，控制电路的导通和关断来设计防反接保护电路，由于功率MOS管的内阻很小，现在HOMSEMIMOSFET已经能够做到毫欧级，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。

利用温度传感器检测电子负载温度，当电子负载的温度超过最大温度时，同样通过单片机来切断继电器来切断电源，达到过热保护的目的。

4可编程直流电子负载硬件的分析与计算

4.1系统总体方框图

系统由前级输入电路、功率损耗电路、保护电路、驱动电路、信号调理电路、控制电路等组成。

如图4.1所示:

先接通负载部分的电源，让负载先预热一下，再接通控制部分的电源，微控制器可以通过模式选择电路选择系统的工作模式，前级输入电路由一个电压跟随器，一个加法器，还有一个电压比较器电路组成，负责电路的模式控制。

控制部分的保护电路则由一个LM311的电压比较器提供基准电压，然后与外部采样回来的衰减电压进行比较，通过连接到两个OP07运算放大器的正反向端与预置电压进行比较，输出高低电平，经过信号调理电路，再经过单片机处理后，控制继电器的断开与接通，从而实现对整个电路的过压保护，过流保护同样通过继电器的断开与连接来实现。

图4.1系统总体框图

4.2负载电路的分析与计算

下图是电子负载的功率电路，它主要由8个N型的功率MOSFET管并联组成，外加有滤波电容

图4.2功率电路

N型MOSFET的基本特性有转移特性和输出特性（漏极特性）。

转移特性是指在恒定的VDS下，漏极电流iD和栅-源电压VGS之间的关系。

一般情况下VDS保持不变，iD会随着VGS的变化产生很大的变化，呈非线性的关系，表达式如表4.1:

（4.1）

VGS与iD的比值相当于一个可变电阻，电子负载研究的主要内容就是MOSFET的转移特性，通过改变VGS的值来调节iD的大小。

其转移特性曲线如图4.3所示:

图4.3MOSFET的转移特性曲线

功率电路的每个MOSFET理论上可承受100V的电压，23A的电流，100W的功率，所以在散热比较理想的情况下，功率可以做到500W以上。

4.3工作模式的分析与计算

根据电流变化规律的不同，可以模拟多种工作模式:

模拟恒阻模式、模拟恒流模式和模拟恒压模式

（1）模拟恒阻模式，理论上直流电压源的电压值保持不变，负载电流的大小和外接电压值成正比，见式4.2:

IR=Ud/R（4.2）

（2）模拟恒流模式，负载电流的大小不会因被测电源电压值的改变而受到影响，电流大小可以根据需要保持恒定，如果电压也保持不变，等效于一个阻值恒定的电阻。

（3）模拟恒压模式，当开关时间t接近为0时，Ud=IR,外接电压与负载电流成线性关系，此时仅仅通过调节负载电流的大小，即可得到等效的外接电压Ud。

4.4驱动电路的解析

由N型MOSFET的基本特性有转移特性可知，驱动N型MOSFET需要一个门极电压VT，我们采用精密基准源TL431来提供VT，将其与驱动电压信号Vin通过加法器求和，见式4.3

V=VT+Vin（4.3）

V经过信号调理电路后驱动MOS场效应管。

图4.4功率MOS管驱动电路

4.5保护电路的分析

系统需要实现欠压、过压、过流、过热保护及防反接保护以及恢复等功能。

欠压，过压保护主要采用硬件电路实现，其实现电路如图4.5所示。

电路通过电压跟随器OP07从输入端采样到衰减后的输入电压，经过跟随器后分别输入到电压比较器LM311的同相端或反相端和参考电压进行比较，当满足欠压或过压的条件时，LM311输出低电触发单片机控制继电器切断电路。

图4.5欠压、过压保护电路

过流和过热保护的实现是分别通过ACS712霍尔电流传感器和温度传感器分别检测流入系统的电流和负载的温度，当电流超过16A或负载温度超过80℃时，使单片机控制继电器切断输入电压，起到保护作用[9]。

防反接电路利用MOS管的开关特性，控制电路的导通和关断来设计的，由于功率MOS管的内阻很小，现在HOMSEMIMOSFET已经能够做到毫欧级，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题[10]。

其电路如图4.6所示:

图4.6防反接电路

5电子负载流程图设计

5.1键盘识别处理与显示流程图设计

本设计采用的是4×5的矩阵键盘，为防止外界其它的原因引起的误操作并使测量准确，在程序中加了消抖程序，系统的主要按键包括数字键0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，确定键，加法键，减法键，恒压模式按键，恒流模式按键，恒阻模式按键和复位按键，系统的简略流程图解如图5.1：

图5.1键盘扫描子程序流程图

图5.2按键处理子程序流程图

5.2电子负载计算值系统流程图设计

本设计是一个比较大的反馈回路控制系统，由MOS场效应管的转移特性可知，其漏极电流与栅源电压不成线性关系，故常程序中我们采用逐次逼近的方法使电子负载的各个参数与设定参数无限接近。

软件流程图如图5.3所示:

图5.3算法流程图

逐次逼近的方法所采用的方法为

Aitken加速公式如下

（5.1）

（5.2）

（5.3）

使测的结果与Xk与Xk+1比较,看比较接近其中的那个，然后再以这两个值为比较区间，与所测得的结果再进行比较，经过无数次的比较直到无限接近所设定的值[11]。

6系统测试与调试分析

调试是整个设计任务中一个不可缺少，非常重要的一个环节。

为了达到设计要求，先后进行了以下三个阶段的调试工作

6.1硬件测试与分析

此部分测试主要应用了，500W开关电源、VC9804A+型数字万用表；BCI-300W10欧姆滑动变阻器等测试仪器。

在整个电子负载设计过程中，硬件方面的设计主要是硬件电路的设计。

在画电路原理图过程中是分模块设计的，根据各个模块的设计思路，合理选取芯片的参数。

由于电子负载是测试仪，要根据被测电源的电压电流进行选择芯片，特别是N型增强型MOS管的选择。

N型增强型MOS管在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载。

整个设计的参数也要根据MOS管的耗散功率、额定电压、额定电流来选取。

采样电阻的选取也很讲究要求电阻很小，要求小到毫欧。

本设计采用的电阻是一种锰铜电阻，专门运用于电流采样电路中，能够承受较大功率，并且其电阻较小，对于电流的分流作用影响较小，功率损耗也较小，从而对电路的影响较小[12]。

系统整体电路由控制电路、键盘输入部分、显示电路、主电路和检测电路组成，在整个负载参数确定后，根据计算的结果确定运算放大器的放大倍数和确定电阻的阻值，然后再根据设定好的参数的基础上，再进行分块调试。

调试过程中需要逐步扩大调试范围，最后实现整机调试。

调试主要检查的是单片机是否能够成功和微机通讯、键盘能否正确输入数值并实时正确的显示在LCD上，看电路原理图及测试结果是否达到设计的要求等。

总之整个硬件调试过程是为了验证各功能模块的设计和制作的正确性，是否能够正常工作，基本的数据传输是否有错误。

6.2软件测试与分析

图6.1测试方框图

如图6.1所示将电压表并入到前级输入电路的输出端，测量加在功率板的电压，将电流表串入到前级输入电路与功率板之间，测量输入功率板的总电流。

经过多次实验的调试与验证，分析结果与理论一致U=Ui；

6.3测试数据分析

（1）输入电压为48.8V时，恒流模式测试数据记录如表6.1所示：

表