摘  要： 設(shè)計實現(xiàn)了一個由MC9S08AW60單片機控制的輸出可調(diào)的高效直流節(jié)能回饋型電子負載。介紹了Boost升壓電路與電流型PWM控制器相結(jié)合的控制方法、單片機最小系統(tǒng)及上位機顯示設(shè)定界面。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計實現(xiàn)了將3~35 V范圍內(nèi)的電壓升壓到36~58 V范圍內(nèi)并回饋到直流電源的輸入端，且實現(xiàn)了對節(jié)能老化實驗電源老化電流的精確控制，達到了經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能、高效的目的，具有廣闊的實用價值。
關(guān)鍵詞： MC9S08AW60；直流節(jié)能回饋型電子負載；Boost電路；節(jié)能老化

　隨著科技的發(fā)展，各種各樣的直流電源被大量使用，而這些電源運行的可靠與否直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的安全性，因此，這些電源出廠前必須要進行可靠性測試（主要是老化實驗）[1]。傳統(tǒng)電源老化測試一般都是采用水泥電阻能耗放電的辦法進行，其缺點是將用于檢測的電能完全消耗掉，產(chǎn)生的大量熱能不能充分利用，造成大量的能源浪費。為解決這一問題，研制出了直流節(jié)能回饋型電子負載[2]。本設(shè)計與一般電子負載的區(qū)別在于：一方面，它從被試直流電源吸收的電能85%以上回饋到其被試直流電源輸入端，不需要并網(wǎng)，從而最大限度地節(jié)約了成本；另一方面，由于所采用老化柜能實現(xiàn)大規(guī)模同時整體老化，對其被試直流電源進行串并聯(lián)，可對其不同規(guī)格的直流電源同時進行老化，更使其回饋效率增加，從而具有更廣闊的應(yīng)用前景[3]。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計
　直流節(jié)能回饋型電子負載主要包括：Boost直流升壓主電路[4]、過欠壓保護電路、AW60單片機控制最小系統(tǒng)、Boost驅(qū)動電路[5]以及RS-232通信模塊。直流節(jié)能回饋型電子負載系統(tǒng)圖如圖1所示。

　Boost直流升壓主電路通過電感儲能才能使電壓升高，控制MOS管的占空比來控制電路的輸出電壓、電流，二極管續(xù)流，電容穩(wěn)壓。此電路結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)反應(yīng)快、轉(zhuǎn)換效率高且不需要隔離，是中小功率的理想電路拓撲。但是在設(shè)計時要考慮如何抑制開機瞬間過激電流的缺點。
　Boost驅(qū)動電路采用電流型PWM控制芯片UC2843，電路中直接控制峰值輸出側(cè)的電感電流大小，然后間接控制PWM脈沖寬度。該控制模式暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快、控制環(huán)易于設(shè)計、易于實現(xiàn)限流和過流保護、回路穩(wěn)定性好、負載響應(yīng)快且多套系統(tǒng)并聯(lián)運行時均流效果好。但是容易發(fā)生次諧波震蕩。
RS-232通信模塊主要實現(xiàn)與PC間的通信，系統(tǒng)可通過PC自動設(shè)定啟動/停止等其他控制動作，能將數(shù)據(jù)上傳至PC，并通過PC來分析和判斷當(dāng)前被測電源的特性，并能將老化完成后生成的老化數(shù)據(jù)以Excel的文件格式存儲，供客戶查詢或下載。
　過壓、過流保護電路的功能就是當(dāng)Boost主電路輸入電壓、電流達到系統(tǒng)設(shè)定的最大電壓、電流時，系統(tǒng)通過PWM比較器輸出高電平，造成PWM鎖存器復(fù)位而斷開整個回路，從而達到保護整個系統(tǒng)的目的。
1.2 系統(tǒng)工作原理
　本系統(tǒng)工作模式為橫流拉載0~15 A，電流大小可通過PC進行獨立設(shè)置。輸入電壓范圍為5~35 V，單通道輸入最大功率為180 W。處理器MC9S08AW60[6]實時采樣電流、電壓值，經(jīng)過差模運算后與當(dāng)前設(shè)定值進行比較，從而調(diào)節(jié)輸出的PWM的占空比，控制MOS管的導(dǎo)通時間，從而實現(xiàn)直流節(jié)能型回饋電子負載實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值相同。通過控制Boost驅(qū)動電路和Boost直流升壓主電路來達到回饋升壓的目的。通過RS-232通信模塊來實現(xiàn)友好的人機交互界面。目前大多采用高頻有源逆變技術(shù)實現(xiàn)老化能量回收利用的電源節(jié)能老化技術(shù)，但這些產(chǎn)品都是針對特定型號的大功率電源產(chǎn)品而設(shè)計的，其功能單一、通用性比較差，無論在控制要求還是產(chǎn)品性價比等方面，都無法適用于二次直流電源的節(jié)能老化試驗要求。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 主控芯片的選擇
　主控芯片采用了Freescale公司的HCS08系列MC9S08AW60的一款高性能的8 bit微控制器。其中4種系統(tǒng)保護功能，電源電壓為5 V，內(nèi)含60 KB的片內(nèi)在線可編程Flash存儲器，帶有保護和安全選項，2 KB的片內(nèi)RAM。在芯片上集成了一個串行外設(shè)接口（SPI）模塊和兩個獨立的串行通信接口（SCI）模塊，可以方便地與PC及時通信。兩個獨立的定時器/脈寬調(diào)制（TPM）模塊，支持傳統(tǒng)的輸入捕捉、輸出比較或已緩沖，對每個通道的脈沖寬度調(diào)制（PWM）。即使在各種惡劣環(huán)境下，HCS08系列亦達到極佳的EMC性能，它提供了不同的引腳數(shù)封裝選項及溫度范圍，該器件適用于電源老化的高溫環(huán)境。
2.2 Boost主電路
　Boost直流升壓主電路如圖2所示，Boost主電路具有開關(guān)直流升壓的拓撲結(jié)構(gòu)，C176、C177為濾波電容。
　（1）充電過程。在充電過程中，Q23導(dǎo)通，雙二極管D18防止電容對地放電，由于輸入直流電，因此儲能電感L8里儲存了一些能量。

?。?）放電過程。放電過程中，Q23截止，由于電感電流的保持性，流經(jīng)L8的電流值會緩慢地由充電完畢時的值變?yōu)榱?。電感L8通過新的電路放電，即給電容兩端充電，電容兩端電壓升高，升壓結(jié)束。
?。?）輸出端電容C81、C83、C84、C85、C86、C87、C89提供足夠大的容量，可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流，為橫流拉載[7]提供條件。
2.3 Boost驅(qū)動電路
　Boost驅(qū)動電路以性能良好的UC2843[8]芯片為核心，控制MOS管的開通和關(guān)斷，從而控制輸出電壓。UC2843為8腳電流脈寬調(diào)制器，其外圍充電電路如圖3所示，R99、R108、C151組成緩沖器與MOS管并接，使開關(guān)管電壓力減少，EMI[9]減少，不發(fā)生二次擊穿。當(dāng)R118上的電壓達到1 V時，UC2843停止工作，MOS管Q29立即關(guān)斷。由UC2843組成的Boost驅(qū)動電路的工作過程如下。

?。?）電路工作時，UC2843的引腳7的工作電壓由Boost主電路的輸入提供。芯片開始工作后，引腳6會輸出脈沖信號驅(qū)動Boost主電路的MOS管工作，引腳2收到Boost驅(qū)動電路經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)化的低壓直流反饋信號來判斷系統(tǒng)是否正常工作。
?。?）電路工作正常時，芯片檢測電感電流和開關(guān)電流信號經(jīng)引腳2送到芯片內(nèi)部的高增益誤差放大器[10]內(nèi)，與內(nèi)部誤差放大器的輸出進行比較，峰值電感電流隨產(chǎn)生的誤差信號的變換而變化，改善了線性調(diào)整率，從而完成脈沖寬度的調(diào)制，最終達到穩(wěn)壓的目的。
從上述的控制過程可以看出，利用UC2843芯片作為控制電路的主元器件形成的電路的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾方面。
　（1）將誤差放大器和電流測定比較器形成電壓外環(huán)，利用電流測定和電流測定比較器形成電流內(nèi)環(huán)，用流過輸出電感電流的信號與芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進行比較，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的占空比，控制脈寬，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
?。?）引腳3為電流采樣輸入端，當(dāng)Boost主電路輸出過載或MOS管被擊穿采樣電路輸入端的電流超過最大允許電流值時，UC2843的內(nèi)部進行自鎖定，停止輸出脈沖而中斷系統(tǒng)工作，大大地提高了系統(tǒng)的安全性能。
?。?）UC2842的工作環(huán)境溫度范圍可達-55℃~1 250℃，最高輸入電壓高達40 V，具有鎖存功能的邏輯電路和能提供逐個脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達100%，完全適用于此電路。
3 實驗結(jié)果與分析
　本文設(shè)計了一套實驗裝置，測試的直流電源將采用華為標(biāo)準(zhǔn)1/4磚的PW13QAAC型號二次直流電源模塊進行老化實驗，直流節(jié)能回饋型電子負載8通道[11]同時拉載，電流值分別設(shè)定為2 A、5 A、10 A，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。本實驗通過RS-232通信可以在上位機顯示及設(shè)定每組的電流拉載值。

　從測試數(shù)據(jù)可以看出：
?。?）該直流節(jié)能回饋型電子負載能有效地將85%以上的電能重復(fù)利用，大功率長時間的帶載老化驗證了其可行性與優(yōu)越性。
?。?）該直流節(jié)能回饋型電子負載采用輸入輸出無需隔離，可靠性高，效率達85%以上，電路結(jié)構(gòu)簡單，使得體積更小、成本低、易實現(xiàn)，以應(yīng)用于實際設(shè)備中。
　（3）該直流節(jié)能回饋型電子負載采用Boost結(jié)構(gòu)作為主電路構(gòu)建起的恒流拉載模式工作效率更高，足以滿足預(yù)期的要求。
?。?）該直流節(jié)能回饋型電子負載可大規(guī)模同時老化不同型號的二次直流電源，應(yīng)用前景廣闊。
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