高性能电子负载的设计

刘洋

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【摘 要】随着科学技术的发展，各种类型的电源设备被大量使用。为了保证各种规格的电源满足应用要求，对电源的检测变得越来越重要。特别是，电子负载被广泛用于测试电源，因为它们具有很强的负载稳定性、精度、调整和控制简单性以及强大的分析和控制功能。

【关键词】 电子负载；STC12C5A60S2单片机；电源检测

1电子负载的工作原理

电子负载是一种被部署在电子设备上的“电子负载”功能,它的输出连接遵循欧姆规则。具体而言,负载电子的原理是一种控制设备（导电性任务周期内MOSFET或晶体管的）用能量管消耗能量。电子负载一般有几种模式,可以模拟不同的负载条件,如恒流、恒阻、恒压、恒功率。

1.1恒定电流模式

电子负载在额定使用直流模式下会根据设定值吸收电流。当电压为5 ~ 10v时,电流设置为100ma。当设置电压值时,负载值必须保持在100毫安。此时加载值为变量。在直流模式下,可以检查电源电压和控制电源负载。负载规则是由负载变化引起的负载输出的变化。负载提高,效率下降。相反,负载减少,性能提高。电源输出电压偏差百分比是衡量电源质量的一个指标。

1.2恒定电阻模式

在不改变的电阻模式下,所安装的负载电阻和输入电压决定了提供给电子负载的负载电流,负载电流与输入电压成正比。换句话说,线性电子负载吸收输入电压。当负载设置为1 kΩ并且输入电压的变化设置为从1~10 V,则电流的变化将会从1~10mA。该比率为设置的负载电阻,即负载电阻保持设置。

恒阻功能,在一些数值电子负载中,不计算特殊电路。电流计算采用直流电压电路,通过微控制器检测到输入电压,实现不改变的电阻函数。当MCU检测到输入电压为20v时,它将跟踪输出电流上升到2A。然而,这种方法只适用于输入电压变化缓慢、响应缓慢和要求不高的情况。在硬件中可以找到具有固定电阻的专业电子负载。

1.3恒定电压模式

无电压模式是指电流负载是根据所设置的负载电压提供给电子负载的。在这一点上,电流负载增加,直到负载等于设置值,这意味着负载仍然是设置值。然而,假设它低于额定容量,它不会超过系统能够承受的最大流量。

2高性能电子负载的整体设计方案论证

2.1负载器件选择

电子负载的能量消耗因素通常包括当使用场效应晶体管和双极晶体管时,双极晶体管的性能相对较低,会使电路复杂化并增加纹波。

外层晶体管控制（Mosfet）非常敏感,高速工作,没有机械接触,也没有运动部件。适合现代现实压力的高速建模。场效应晶体管对应的电路有缺陷,其电阻很高,在实际工作过程中不消耗任何静态能量。在设计电子直流负载时,我们使用了场效应晶体管（MOS晶体管）作为功率损耗元件。

2.2负载工作模式的论证与选择

2.2.1恒流方案

方案一：采用电阻采样反馈法,将采样电阻与MOS功率管的电源串联,将电流转换为电压,反馈给放大器的逆变输出,获得高增益。输入一个固定电压到非逆变端子。当反相端电压等于非反相端电压时,MOS管的电流是恒定的,即电流与非反相端电压成正比。

方案二：电流直接采样法,目前提供给电子负载是由霍尔电流传感器。相比之下,设置当前是否到达系统的设定值,输出电压是由一定的控制算法,然后当前监控MOS功率管的是用来控制电流的。

与第二种方案相比,方案一采样电阻的功率太小,所以电子负载所能携带的电流非常有限,远远不能满足要求。第二方案的缺点是系统响应慢,但可以携带大电流。综合调研,选定第二方案。

2.2.2恒阻方案

方案一：硬件实现方法,将功率MOS管端子电压V选为有误差的放大器非逆变端子,将功率MOS管电流I选为有误差的放大器逆变端子电压。根据欧姆定律：R = V / I以获得恒定电阻。

方案二：基于直流电的软件实现方法,通过计算MOS功率管两端的电压,通过AD实现恒阻。电阻传感器的大误差反馈方法和软件部署方法快速准确,避免硬件电路设计错误中电子元件的相互影响所带来的干扰。基于以上,我们选择了方案二。

3.2.3恒压方案

实现恒压转换模块功能的方法有两种：

方案一： 在此方案中,将晶体管放大的比较方法,将晶体管的底座和发射器对应于比较器的正负输入。这样的电路可以实现恒定的电压功能,但误差很大,仍有较大的功率损耗。

方案二：运用放大比较法,增加与放大器的控制输出信号的采样电压与参考电压输入的反相端运算放大器和比较了反相终端控制MOS晶体管的导电率的流动。该方案实现简单,只会产生一些小错误和小损失,这是一个理想的解决方案。。

综上所述比较故采用方案二。

2.3电压电流检测方案论证与选择

方案一：取样检测和放大。从这个方案是转换成电压电流通过连接着一个电阻管内的方法,后来又做放大和过渡A / D在电脑里单芯片来处理。

方案二：传感器检测。霍尔电流传感器被电流直接和电路连接,电流自动转换成电压，电流传感器提供的高精确度的优势仍然相似,并且反应速度快和线性度好。

基于以上考虑,与方案一相比,方案二具有精度高、电路简单、功耗低的优点,故选择方案二。

3系统测试分析

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。

电子负载设计过程主要包括硬件设计。电路是模块化的,电路参数是根据每个模块设计的概念合理选择的。由于电子负载是测试,芯片的选择必须基于测试电源的电压和电流。特别是考虑到先进的N型增强型MOS。采用先进的N型增强型MOS管作为电流监测装置和测试电源的负载。整个结构的参数也必须按目前MOS管的功耗等来进行选择。选择采样电阻也很困难,需要一个小的电阻,如毫欧姆。本设计使用的电阻是电流采样电路中专用的锰铜电阻,它能承受高功率,电阻小,对电流分流效应影响小。

整个系统的框图包括主电路和检测电路,以及控制电路、显示电路和键盘输入。当确定总参数后,确定放大器的增长水平的工作原理和根据你的计算结果电阻设定参数。在调试过程中,调试区域必须逐步扩展,最终整个计算机必须进行调试。调试主要检查计算机芯片可以正常“交流”,键盘是否能正确输入数值并实时显示在LCD上,原理图和试验结果是否符合工程要求,检查一下是否正确。

简而言之,设备调试的整个过程就是确保每个功能模块的设计和制造正确,功能正常,没有基本的数据传输错误。

4结论

这种设计允许电子负载电流的连续控制。可以定义测试电压,电流和功率显示在lk屏幕上。在额定工作环境中,电子负载根据规定的值吸收当前的常数,而不论输入电压（在一定范围内）在直流模式的变化。每个模式都有最高的精度。功率超过500w时,散热情况较好,功率可能会更高。以下几个方面可以提高系统的精度和功耗。（1）采用高精度霍尔电流传感器实时测量电路总电流；（2）采用高速单片机作为控制器,可以提高系统的稳定性和响应时间；（3）控制电路采用更精确的误差放大器。

参考文献

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4. 刘慧, 郝雯娟. LabVIEW程控电子负载的实现与虚拟面板设计[J]. 电子测试, 2018, No.390（09）：15+22.

作者简介：刘洋，1988，04，14，性别：男，籍贯：辽宁省锦州市，学历：大专，学校：天津现代职业技术学院，研究方向：电子

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