簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘 要：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)負(fù)載測(cè)試電源性能的方法在高科技產(chǎn)品的生產(chǎn)中逐漸暴露出許多的不足之處。為了解決采用傳統(tǒng)負(fù)載測(cè)試方法存在功耗較大、效率與調(diào)節(jié)精度低、體積大等問題，設(shè)計(jì)并制作一款適合隨頻率、時(shí)間變化而發(fā)生改變的被測(cè)電源的簡(jiǎn)潔、實(shí)用、方便的直流電子負(fù)載。系統(tǒng)主要由STC12C5A60S2單片機(jī)主控、增強(qiáng)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF3205功率管、矩陣按鍵、D/A和A/D電路等部分組成。實(shí)現(xiàn)了在一定電壓與電流范圍內(nèi)恒壓恒流任意可調(diào)，并通過(guò)LCD12864液晶顯示屏顯示被測(cè)電源的電壓值、電流值及相應(yīng)的設(shè)定值，具有輸入被測(cè)電源電壓過(guò)壓保護(hù)和自動(dòng)測(cè)量直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率的功能。該電子負(fù)載可滿足高等院校電工電子實(shí)驗(yàn)室或?qū)W生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需求，具有一定應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機(jī);恒流恒壓;IRF3205;負(fù)載調(diào)整率

　　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(dāng)今社會(huì)，其內(nèi)部電源性能的好壞和穩(wěn)定性將對(duì)人們高品質(zhì)生活產(chǎn)生直接的影響[1]。對(duì)于低壓直流電源的小型產(chǎn)品來(lái)講，如何精確、快速測(cè)試其負(fù)載能力是電子行業(yè)鉆研的問題[2]。傳統(tǒng)測(cè)試方式是采用大功率電阻、滑線變阻器等充當(dāng)測(cè)試負(fù)載。而傳統(tǒng)負(fù)載體積大，在長(zhǎng)期大電流測(cè)試情況下容易發(fā)熱而造成老化或燒損，致使測(cè)試效率和精度降低，無(wú)法滿足小型化電子產(chǎn)品對(duì)恒壓、恒流負(fù)載的要求[3]。

　　基于上述傳統(tǒng)測(cè)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(cè)電源，設(shè)計(jì)并制作一款簡(jiǎn)潔、實(shí)用、方便的直流電子負(fù)載。可設(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(guò)矩陣按鍵能精確設(shè)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(diào)整率等相關(guān)電參數(shù)，方便實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生開發(fā)電路調(diào)試使用。

　　1 設(shè)計(jì)思路

　　系統(tǒng)由單片機(jī)核心控制模塊、電壓電流檢測(cè)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(guò)壓保護(hù)模塊、系統(tǒng)供電模塊等八個(gè)部分組成。具體設(shè)計(jì)思路是：首先用電壓電流檢測(cè)電路對(duì)輸入被測(cè)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(cè)信號(hào)，然后經(jīng)外置A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，直接顯示被測(cè)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(cè)恒定電壓和電流值，經(jīng)單片機(jī)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(guò)電壓比較器比較經(jīng)前一級(jí)運(yùn)放電路處理后與反饋到后級(jí)運(yùn)放反相輸入端的被測(cè)電壓和被測(cè)電流，從而得到控制功率管導(dǎo)通量的電壓或電流控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒壓恒流控制。此外，可以通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)恒壓(CV)與恒流(CC)工作模式的切換和負(fù)載調(diào)整率的測(cè)定。當(dāng)被測(cè)電源電壓大于可測(cè)量最高恒定電壓且達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制功率管截止來(lái)達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

　　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(fù)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(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(guò)5 V，而本設(shè)計(jì)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(shù)量級(jí)上，先把采樣電壓經(jīng)第1級(jí)運(yùn)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(jí)集成運(yùn)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DA_V比較。當(dāng)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(dǎo)通量增加，柵漏電阻RDS減小，輸入電壓降低，實(shí)現(xiàn)恒壓工作。

　　3.4 電流電壓采集電路

　　為了能夠?qū)崟r(shí)顯示直流電子負(fù)載接入被測(cè)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(cè)電路。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件部分可通過(guò)矩陣按鍵設(shè)定恒定電壓與電流值，利用兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別實(shí)現(xiàn)(CV)與(CC)工作模式切換，用LCD12864液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示被測(cè)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(xì)介紹。

　　5 數(shù)據(jù)測(cè)量

　　5.1 電路測(cè)試方案

　　測(cè)試時(shí)，可使用IT8512C可編程直流電子負(fù)載直接測(cè)量，或使用IT6322A電源為被測(cè)電源和3位半數(shù)字萬(wàn)用表等各種測(cè)量?jī)x表對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，由獨(dú)立按鍵完成恒壓和恒流工作方式的切換。當(dāng)測(cè)試恒壓或恒流時(shí)，IT8512C可編程直流電子負(fù)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(dāng)于1個(gè)負(fù)載的大小，這樣可直接測(cè)量出回路的電流。

　　5.2 電路測(cè)試數(shù)據(jù)

　　1) 恒壓(CV)工作方式下的設(shè)定電壓測(cè)試

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

　　根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析可知，本設(shè)計(jì)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(cè)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(fù)載和IT6322A電源接入電路，通過(guò)矩陣按鍵設(shè)置某一電流值，用數(shù)字萬(wàn)用表電流檔測(cè)量不同設(shè)定電流值下的實(shí)際電流，或由IT8512C可編程直流電子負(fù)載直接測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如表2所示。 由上述測(cè)試數(shù)據(jù)可知本設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

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

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

　　4)過(guò)壓保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)

　　改變輸入被測(cè)電源電壓，觀察直流電子負(fù)載在不同電壓值下的輸出顯示，并把測(cè)出的數(shù)據(jù)填入表4。 從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，系統(tǒng)在輸入被測(cè)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(tǒng)具有過(guò)壓保護(hù)功能。

　　5)負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試

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

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　在恒壓、恒流工作方式下，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)量值的分辯率可達(dá)到10 mV和1 mA，且相對(duì)誤差小于5%;在電子負(fù)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(duì)值小于變化前電流值的1%。本設(shè)計(jì)還具備了測(cè)量精度接近1%的自動(dòng)測(cè)量直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率的功能。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 蔣紅.多通道小功率電子負(fù)載設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南昌：東華理工大學(xué)，2016.

　　[2] 譚承君，曾國(guó)強(qiáng)，劉璽堯等.電子負(fù)載儀的設(shè)計(jì)[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(fù)載設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2017.

　　[4] 黃正午.直流電子負(fù)載控制算法的研究[D].柳州：廣西工學(xué)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(xué)出版社， 2014.

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

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

　　[8] 徐智超.基于運(yùn)放芯片OP07實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載[J].電子制作，2013(07)：11.