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简易直流电子负载的设计与实现*

作者:卢翠珍,陆大同(百色学院,广西 百色 533000) 时间:2021-08-09 来源:电子产品世界 收藏
编者按:随着电力电子技术的飞速发展,传统负载测试电源性能的方法在高科技产品的生产中逐渐暴露出许多的不足之处。为了解决采用传统负载测试方法存在功耗较大、效率与调节精度低、体积大等问题,设计并制作一款适合随频率、时间变化而发生改变的被测电源的简洁、实用、方便的直流电子负载。系统主要由STC12C5A60S2单片机主控、增强型N沟道场效应管IRF3205功率管、矩阵按键、D/A和A/D电路等部分组成。实现了在一定电压与电流范围内恒压恒流任意可调,并通过LCD12864液晶显示屏显示被测电源的电压值、电流值及相应的设定值

*项目基金:2018—2020年广西本科高校特色专业及实验实训教学基地(中心)建设项目:百色学院“电子信息工程”特色专业(批准文号:桂教高教〔2018〕52号;编号:119);2019年信息工程学院工程硕士专业学位授权点(电子信息)项目资助

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202108/427450.htm

作者简介:卢翠珍(1969—),女,广西横县,汉族,本科,高级讲师,研究方向:电路设计与维修。

0   引言

在智能化电子产品给人们的工作生活带来极大便利的当今社会,其内部电源性能的好坏和稳定性将对人们高品质生活产生直接的影响[1]。对于低压直流电源的小型产品来讲,如何精确、快速测试其负载能力是电子行业钻研的问题[2]。传统测试方式是采用大功率电阻、滑线变阻器等充当测试负载。而传统负载体积大,在长期大电流测试情况下容易发热而造成老化或烧损,致使测试效率和精度降低,无法满足小型化电子产品对恒压、恒流负载的要求[3]

基于上述传统测试方法存在的不足,同时为了适合随频率、时间变化而发生改变的被测电源,设计并制作一款简洁、实用、方便的直流电子负载。可设置恒定电压范围1 ~ 20 V 和恒定电流范围100 mA ~ 3 A 内任意可调,通过矩阵按键能精确设置需要恒定的电压和电流值,并通过LCD12864 液晶屏显示电流、电压、调整率等相关电参数,方便实验室和学生开发电路调试使用。

1   设计思路

系统由单片机核心控制模块、电压电流检测模块、A/D 与D/A 转换模块、恒压恒流控制模块、模式切换模块、功率控制模块、过压保护模块、系统供电模块等八个部分组成。具体设计思路是:首先用电压电流检测电路对输入被测电源的电压和回路电流在采样电阻(康铜丝)两端所产生的电压值进行采样,分别形成电压、电流检测信号,然后经外置A/D 转换器送入单片机进行相应数据处理,直接显示被测电源的电压值和电流值。恒压恒流控制部分由矩阵按键设定待测恒定电压和电流值,经单片机内的A/D 处理后,一方面直接显示设定值,另一方面经D/A 数模转换模块输出相应的参考电压,通过电压比较器比较经前一级运放电路处理后与反馈到后级运放反相输入端的被测电压和被测电流,从而得到控制功率管导通量的电压或电流控制信号,进而实现恒压恒流控制。此外,可以通过两个独立按键实现恒压(CV)与恒流(CC)工作模式的切换和的测定。当被测电源电压大于可测量最高恒定电压且达到一定数值时,通过单片机控制功率管截止来达到过压保护的目的。系统设计原理如图1 所示。

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2   硬件电路设计

2.1 功率控制及工作模式切换电路

功率控制电路主要由水泥电阻R30、R32 和R33、N-MOS 管()、采样电阻(康铜丝0.1R)、偏置电阻R34、RB1 及电容CG1、CG2、C26、C27、C29 等构成。根据本设计要求,N-MOS 管选择,它具备极低导通阻抗,RDS(on)Max = 8.0 mΩ,持续漏极电流高达110 A(TC=25 ℃),漏极功率消耗PD 高达200 W(TC=25 ℃)。图2 中的肖特基二极管D2(SK54)起到保护N-MOS 管的作用;由于本设计要求恒压高达20 V,水泥电阻R32 和R33 采用串联,以起到限流的作用[4]

若不用水泥电阻R32 和R33,当高达20 V 恒压输出时,得到:

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远大于 的最大ID=110 A(TC=25 ℃ ), 会把IRF3205 永久烧坏。若用阻值为0.15R 的水泥电阻R32和R33 串联,当高达20 V 恒压输出时,得到:

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比110 A(TC=25 ℃)小得多,故IRF3205 可正常工作。

恒压(CV)与恒流(CC)工作模式的切换可由555 定时器与外围电阻电容组成单稳态触发器控制继电器的动作来实现[5],也可用单片机控制;本设计采用R17、RA1、Q4、D1 和5 V 直流继电器组成的单片机控制模式。当按下工作模式独立按键时,单片机的I/O端输出低电平,使三极管Q4 导通,常开触点吸合,从而使工作模式从CV 切换到CC。

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图2 功率控制及工作模式切换电路

2.2 恒流控制电路

在图3 所示的恒流控制电路中,DA_C 为矩阵按键所设置的恒定电流值经单片机内部A/D 数据处理后,由D/A 转换器输出参考电压。由于本设计要求恒定电流的调节范围为100 mA ~ 3 A,而图2 中的电流采样电阻RSC1 阻值为0.1 Ω, 因此采样电压的范围为image.png,为了使参考电压 DA_C 与采样电压进行有效比较,首先把参考电压DA_C 经第一级同相比例放大器缩小10%,然后送到后级电压比较器的同相输入端,与反相端电流检测电阻RSC1 上的反馈电压进行比较,当流入直流电子负载的电流增大时,反馈电压增大,若大于同相端的参考电压,比较器输出低电平,使功率管的导通量减少,电流减少;反之,当流入直流电子负载的电流减少时,反馈电压减小,若小于同相端的参考电压,比较器输出高电平,使功率管的导通量加大,电流增加;可见,恒流控制是通过比较器输出的高低电平来控制功率管IRF305 的导通程度而实现的。在恒流工作模式下,按照所设定的电流值,流入直流电子负载的电流维持恒定,与输入电压不相干,但与被测电源所能提供的最大电流有关。当 在线性工作区工作实现恒流时, 发热量很大,因此需要用散热器来降低 温度;MOSFET 在耗散功率工作时,自身温度也会升高,所以必须通过加快散热的方式才能保证MOSFET 正常工作[6]

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图3 恒流控制电路

3.3 恒压控制电路

所谓恒压工作模式,就是流入直流电子负载的电流无论如何变化,其两端电压都将保持不变。电路结构与恒流控制大同小异,只是同相比例放大器的反馈电阻和平衡电阻参数不同而已,如图4 所示。由于按键所设定的电压值产生的参考电压DA_V 比较低,不超过5 V,而本设计中要求的恒定电压范围为1~20 V,也就是采样电压比较大,为了与参考电压在同一个数量级上,先把采样电压经第1 级运放组成的同相比例放大器缩小0.2 倍,即U采=0.2Ui=(0.2 ~ 4) V,再送入第2 级集成运放组成的电压比较器的同相输入端,与加在反相输入端的参考电压DA_V 比较。当输入电压增大,大于参考电压时,比较器输出高电平,使功率管的导通量增加,栅漏电阻RDS 减小,输入电压降低,实现恒压工作。

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图4 恒压控制电路

3.4 电流电压采集电路

为了能够实时显示直流电子负载接入被测电源后的输入电压和输入电流的数值大小,须使用图5 所示的电流电压检测电路。

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图5 电流电压检测电路

因系统的输出电流和电压的精度主要取决于采样电阻的精度和温漂,如果是使用普通电阻,则温漂大,阻值的大小受环境影响比较大,从而使电流、电压的输出精度和测量精度受到影响[7]。所以本设计中采用0.1 Ω 的康铜丝作采样电阻,同时使用较低输入偏置电流和较低输入失调电压的集成运放OP07C。采样电阻在设定电流范围内采样到的电压只有0.01~0.3 V,为了便于ADS7816 模数转换器转换数据,首先把电流检测电阻上的反馈电压通过同相比例放大器10 倍得到0.1~3 V, 即为送到ADS7816 的电流检测信号ADC+,如图5 中左图所示。因为ADS7816 的输入参考电压局限于100 mV~5 V,分辨率为12 位,电压高达24 μV~1.22 mV。同时,本设计的恒定电压范围比较高,为1~20 V,所以需要通过由OP07C 组成的同相比例放大器缩小0.15 倍,得到0.15~3 V 的电压检测信号ADV+,如图5 中右边电路所示。在电压检测电路中,根据运放的虚短、虚断分析,得到关系式[8]

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image.png

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其中,image.png为放大器的增益。故通过上述电路可得到相应的电压检测信号ADV+ 或电流检测信号ADC+,为ADS7816 芯片提供模数转换信号。

3.5 A/D模数转换电路

模数转换器采用ADS7816,它具有200 kHz 采样频率、低功耗运行、自动断电、同步串行接口、差分输入等特点。使用外部电压4.096 V 输入到参考端Vref,使其采样电压可以达到1 mV 分辨率。芯片第7 引脚(DCLK)是串行时钟脉冲输入,它控制ADS7816 的转换速率。电压电流的A/D 转换电路如图6 所示。过压保护电路相对比较简单,可利用单片机对检测到的电压进行数据处理后与设定值进行比较,以控制继电器的通断状态来达到保护目的。

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图6 A/D模数转换电路

4   软件设计

系统软件部分可通过矩阵按键设定恒定电压与电流值,利用两个独立按键分别实现(CV)与(CC)工作模式切换,用LCD12864 液晶显示屏实时显示被测电源的电压值、电流值以及相应的设定值。关于软件编程这里不做详细介绍。

5   数据测量

5.1 电路测试方案

测试时,可使用IT8512C 可编程直流电子负载直接测量,或使用IT6322A 电源为被测电源和3 位半数字万用表等各种测量仪表对各个参数进行测量,由独立按键完成恒压和恒流工作方式的切换。当测试恒压或恒流时,IT8512C 可编程直流电子负载的工作模式设置在恒阻(CR)模式下,并串联到回路中相当于1 个负载的大小,这样可直接测量出回路的电流。

5.2 电路测试数据

1) 恒压(CV)工作方式下的设定电压测试

将IT6322A 电源作为被测电源接入直流电子负载,由矩阵按键进行恒定电压值的设置,用数字万用表测量负载两端电压值,并将测出数据填入表1。

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根据测试结果分析可知,本设计可调恒定输出的电压范围符合题设(1 ~ 20 V)要求。

2) 在恒流(CC)工作方式下,设定电流的测量将电路工作模式切换为(CC)模式,并把IT8512C可编程直流电子负载和IT6322A 电源接入电路,通过矩阵按键设置某一电流值,用数字万用表电流档测量不同设定电流值下的实际电流,或由IT8512C 可编程直流电子负载直接测量,所得数据如表2 所示。

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由上述测试数据可知本设计的相对误差在5% 以内。

3) 在电子负载两端电压改变10 V 时, 不同设定电流值下的输出电流的变化量

在恒流(CC)工作方式下,输入被测电源的电压由IT6322A 电源供应并设为U1 ,在设定电流的状态下的回路电流记为I1 ,当把U1 改变使之变成image.png= +10 V(并要求U2 ≤10.5 V )时,测得的回路电流为I2 ,并且image.png 。如表3 所示。

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可见,在直流电子负载两端电压改变10 V 时,不同的设定电流下电流输出变化的绝对值小于1%。

4) 过压保护测试数据

改变输入被测电源电压,观察直流电子负载在不同电压值下的输出显示,并把测出的数据填入表4。

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从测试数据来看,系统在输入被测电源电压小于20.8 V 时,为正常输出;大于20.8 V 时,输出为0,即系统具有过压保护功能。

5) 的测试

电源的测试是在保证外部直流电源电压不变的条件下,分别测量两种不同负载在设定电流为100 mA、1 500 mA 和3 A 三种情况下被测电源电压的大小,求出最大和最小电流时的测量电压与满载电流为50% 时的电压差值,取两个差值中的最大值与满载电流为50% 时的电压值的比值,如表5 所示。

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6   结束语

在恒压、恒流工作方式下,通过对测试数据分析可知,测量值的分辩率可达到10 mV 和1 mA,且相对误差小于5%;在电子负载两端电压改变10 V 时,恒流工作方式下输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。本设计还具备了测量精度接近1% 的自动测量直流稳压电源负载调整率的功能。

参考文献:

[1] 蒋红.多通道小功率电子负载设计与实现[D].南昌:东华理工大学,2016.

[2] 谭承君,曾国强,刘玺尧等.电子负载仪的设计[J].电子技术应用,2013(8):73-76.

[3] 周宪枫.基于PWM的馈能电子负载设计[D].苏州:苏州大学,2017.

[4] 黄正午.直流电子负载控制算法的研究[D].柳州:广西工学院,2011.

[5] 李承,徐安静,谭丹,等.模拟电子技术[M].北京:清华大学出版社,2014.

[6] 张毅,丁鼎.直流电子负载的工作原理及使用方法[J].上海计量试,2018,45(02):54-55.

[7] 梁建豪.基于STM32的直流电子负载设计[J].电子测量技术,2018,41(22):116-120.

[8] 徐智超.基于运放芯片OP07实现的简易直流电子负载[J].电子制作,2013(07):11.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年5月期)



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