簡易直流電子負載的設(shè)計與實現(xiàn)*

*項目基金：2018—2020年廣西本科高校特色專業(yè)及實驗實訓教學基地（中心）建設(shè)項目：百色學院“電子信息工程”特色專業(yè)（批準文號：桂教高教〔2018〕52號；編號：119）；2019年信息工程學院工程碩士專業(yè)學位授權(quán)點（電子信息）項目資助

作者簡介：盧翠珍（1969—），女，廣西橫縣，漢族，本科，高級講師，研究方向：電路設(shè)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極大便利的當今社會，其內(nèi)部電源性能的好壞和穩(wěn)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)品來講，如何精確、快速測試其負載能力是電子行業(yè)鉆研的問題^[2]。傳統(tǒng)測試方式是采用大功率電阻、滑線變阻器等充當測試負載。而傳統(tǒng)負載體積大，在長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，無法滿足小型化電子產(chǎn)品對恒壓、恒流負載的要求^[3]。

基于上述傳統(tǒng)測試方法存在的不足，同時為了適合隨頻率、時間變化而發(fā)生改變的被測電源，設(shè)計并制作一款簡潔、實用、方便的直流電子負載?？稍O(shè)置恒定電壓范圍1 ～ 20 V 和恒定電流范圍100 mA ～ 3 A 內(nèi)任意可調(diào)，通過矩陣按鍵能精確設(shè)置需要恒定的電壓和電流值，并通過LCD12864 液晶屏顯示電流、電壓、調(diào)整率等相關(guān)電參數(shù)，方便實驗室和學生開發(fā)電路調(diào)試使用。

1   設(shè)計思路

系統(tǒng)由單片機核心控制模塊、電壓電流檢測模塊、A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換模塊、恒壓恒流控制模塊、模式切換模塊、功率控制模塊、過壓保護模塊、系統(tǒng)供電模塊等八個部分組成。具體設(shè)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)生的電壓值進行采樣，分別形成電壓、電流檢測信號，然后經(jīng)外置A/D 轉(zhuǎn)換器送入單片機進行相應(yīng)數(shù)據(jù)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(shè)定待測恒定電壓和電流值，經(jīng)單片機內(nèi)的A/D 處理后，一方面直接顯示設(shè)定值，另一方面經(jīng)D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出相應(yīng)的參考電壓，通過電壓比較器比較經(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，進而實現(xiàn)恒壓恒流控制。此外，可以通過兩個獨立按鍵實現(xiàn)恒壓（CV）與恒流（CC）工作模式的切換和負載調(diào)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(shù)值時，通過單片機控制功率管截止來達到過壓保護的目的。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1 所示。

2   硬件電路設(shè)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(gòu)成。根據(jù)本設(shè)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(xù)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(shè)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，得到：

遠大于IRF3205 的最大I_D=110 A(TC=25 ℃ )， 會把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，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 定時器與外圍電阻電容組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制繼電器的動作來實現(xiàn)^[5]，也可用單片機控制；本設(shè)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，單片機的I/O端輸出低電平，使三極管Q4 導通，常開觸點吸合，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(shè)置的恒定電流值經(jīng)單片機內(nèi)部A/D 數(shù)據(jù)處理后，由D/A 轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓。由于本設(shè)計要求恒定電流的調(diào)節(jié)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 上的反饋電壓進行比較，當流入直流電子負載的電流增大時，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，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，恒流控制是通過比較器輸出的高低電平來控制功率管IRF305 的導通程度而實現(xiàn)的。在恒流工作模式下，按照所設(shè)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 在線性工作區(qū)工作實現(xiàn)恒流時，MOSFET 發(fā)熱量很大，因此需要用散熱器來降低MOSFET 溫度；MOSFET 在耗散功率工作時，自身溫度也會升高，所以必須通過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論如何變化，其兩端電壓都將保持不變。電路結(jié)構(gòu)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(shù)不同而已，如圖4 所示。由于按鍵所設(shè)定的電壓值產(chǎn)生的參考電壓DA_V 比較低，不超過5 V，而本設(shè)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數(shù)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，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，實現(xiàn)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?qū)崟r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(shù)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(tǒng)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(shè)計中采用0.1 Ω 的康銅絲作采樣電阻，同時使用較低輸入偏置電流和較低輸入失調(diào)電壓的集成運放OP07C。采樣電阻在設(shè)定電流范圍內(nèi)采樣到的電壓只有0.01~0.3 V，為了便于ADS7816 模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，首先把電流檢測電阻上的反饋電壓通過同相比例放大器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?yún)⒖茧妷壕窒抻?00 mV~5 V，分辨率為12 位，電壓高達24 μV~1.22 mV。同時，本設(shè)計的恒定電壓范圍比較高，為1~20 V，所以需要通過由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(jù)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。故通過上述電路可得到相應(yīng)的電壓檢測信號ADV+ 或電流檢測信號ADC+，為ADS7816 芯片提供模數(shù)轉(zhuǎn)換信號。

3.5 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADS7816，它具有200 kHz 采樣頻率、低功耗運行、自動斷電、同步串行接口、差分輸入等特點。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）是串行時鐘脈沖輸入，它控制ADS7816 的轉(zhuǎn)換速率。電壓電流的A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖6 所示。過壓保護電路相對比較簡單，可利用單片機對檢測到的電壓進行數(shù)據(jù)處理后與設(shè)定值進行比較，以控制繼電器的通斷狀態(tài)來達到保護目的。

圖6 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

4   軟件設(shè)計

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

5   數(shù)據(jù)測量

5.1 電路測試方案

測試時，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(shù)字萬用表等各種測量儀表對各個參數(shù)進行測量，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，IT8512C 可編程直流電子負載的工作模式設(shè)置在恒阻（CR）模式下，并串聯(lián)到回路中相當于1 個負載的大小，這樣可直接測量出回路的電流。

5.2 電路測試數(shù)據(jù)

1) 恒壓（CV）工作方式下的設(shè)定電壓測試

將IT6322A 電源作為被測電源接入直流電子負載，由矩陣按鍵進行恒定電壓值的設(shè)置，用數(shù)字萬用表測量負載兩端電壓值，并將測出數(shù)據(jù)填入表1。

根據(jù)測試結(jié)果分析可知，本設(shè)計可調(diào)恒定輸出的電壓范圍符合題設(shè)（1 ～ 20 V）要求。

2) 在恒流（CC）工作方式下，設(shè)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，通過矩陣按鍵設(shè)置某一電流值，用數(shù)字萬用表電流檔測量不同設(shè)定電流值下的實際電流，或由IT8512C 可編程直流電子負載直接測量，所得數(shù)據(jù)如表2 所示。

由上述測試數(shù)據(jù)可知本設(shè)計的相對誤差在5% 以內(nèi)。

3) 在電子負載兩端電壓改變10 V 時, 不同設(shè)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(yīng)并設(shè)為U1 ，在設(shè)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，測得的回路電流為I2 ，并且 。如表3 所示。

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

4) 過壓保護測試數(shù)據(jù)

改變輸入被測電源電壓，觀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(shù)據(jù)填入表4。

從測試數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)在輸入被測電源電壓小于20.8 V 時，為正常輸出；大于20.8 V 時，輸出為0，即系統(tǒng)具有過壓保護功能。

5) 負載調(diào)整率的測試

電源負載調(diào)整率的測試是在保證外部直流電源電壓不變的條件下，分別測量兩種不同負載在設(shè)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的測量電壓與滿載電流為50% 時的電壓差值，取兩個差值中的最大值與滿載電流為50% 時的電壓值的比值，如表5 所示。

6   結(jié)束語

在恒壓、恒流工作方式下，通過對測試數(shù)據(jù)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，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(shè)計還具備了測量精度接近1% 的自動測量直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率的功能。

參考文獻：

[1] 蔣紅.多通道小功率電子負載設(shè)計與實現(xiàn)[D].南昌:東華理工大學,2016.

[2] 譚承君,曾國強,劉璽堯等.電子負載儀的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013(8):73-76.

[3] 周憲楓.基于PWM的饋能電子負載設(shè)計[D].蘇州:蘇州大學,2017.

[4] 黃正午.直流電子負載控制算法的研究[D].柳州:廣西工學院,2011.

[5] 李承,徐安靜,譚丹,等.模擬電子技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,2014.

[6] 張毅,丁鼎.直流電子負載的工作原理及使用方法[J].上海計量試,2018,45(02):54-55.

[7] 梁建豪.基于STM32的直流電子負載設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2018,41(22):116-120.

[8] 徐智超.基于運放芯片OP07實現(xiàn)的簡易直流電子負載[J].電子制作,2013(07):11.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）