隨著社會(huì)發(fā)展，電源技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。對(duì)于低壓直流電源來(lái)講，如何準(zhǔn)確、快速測(cè)試其帶負(fù)載能力是電源界一直研究的問(wèn)題。傳統(tǒng)測(cè)試方法一般都采用電阻、滑線(xiàn)變阻器等充當(dāng)測(cè)試負(fù)載，但這些負(fù)載不能滿(mǎn)足對(duì)負(fù)載多方面的要求[1-2]，如恒定電流的負(fù)載[3]、隨意調(diào)節(jié)的負(fù)載、恒功率的負(fù)載、動(dòng)態(tài)負(fù)載等。本文將電子技術(shù)和微控制技術(shù)引入負(fù)載裝置，設(shè)計(jì)并制作了用于測(cè)量低壓直流電源帶負(fù)載能力的裝置——電子負(fù)載。系統(tǒng)的MOS管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，與參考文獻(xiàn)[4]的設(shè)計(jì)方案剛好相反，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒流、恒阻、恒功率等模式，可接受最大輸入電壓為100 V，恒流模式下最大恒流值為10 A，精度在1%以?xún)?nèi)；恒阻模式下最小恒阻值為0.32 Ω，精度在3%以?xún)?nèi)；恒功率模式下最大可設(shè)定功率為100 W，精度在3%以?xún)?nèi)。目前該電子負(fù)載已投入使用，取得了良好效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)主要由斜波發(fā)生器、PWM波產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路、能量耗散電路、電流/電壓采樣電路、誤差放大電路、微控制器等組成。其原理框圖如圖1所示。

    恒流模式下，控制器將設(shè)定電流值通過(guò)DAC送入誤差放大器的反相端。如果某一時(shí)刻待測(cè)電源實(shí)際輸出電流值低于設(shè)定值，則誤差放大器的輸出為負(fù)，從而PWM波的占空比增大，使實(shí)際電流值增加，逼近預(yù)設(shè)電流值，反之亦然。這里引入PI調(diào)節(jié)[5]，待測(cè)電源的實(shí)際電流值與預(yù)設(shè)電流值相差越大，誤差信號(hào)就越大，PWM波的占空比變化也就越大，使待測(cè)電源的實(shí)際電流很快地接近并等于預(yù)設(shè)電流值。由于誤差放大器的放大倍數(shù)很高(上萬(wàn)倍)，在電路穩(wěn)定的情況下可將誤差放大器的同相輸入端和反相輸入端的電壓視為相等，使負(fù)載電流值等于控制器的預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)恒流。
   恒阻模式下,微處理器首先采樣得到待測(cè)電源電壓，再根據(jù)設(shè)定電阻值計(jì)算出所需電流值,然后通過(guò)DAC送入誤差放大器的反相端。由于待測(cè)電源電壓可能變化，因此控制器須不斷采樣待測(cè)電源電壓，一旦電壓變化就要立刻改變送入DAC的值。為提高精度，軟件內(nèi)部采用軟件補(bǔ)償和過(guò)采樣。
　恒功率與恒阻模式的控制方式是一樣的，只是計(jì)算控制電流值的公式不一樣，這里不再贅述。系統(tǒng)將硬件與軟件相結(jié)合，既克服了軟件反饋?lái)憫?yīng)慢的不足又避免了純硬件實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)采用中斷鍵盤(pán)輸入能量耗散方式(恒流、恒阻、恒功率)和耗散值，在系統(tǒng)工作時(shí)，可通過(guò)電壓電流采樣實(shí)時(shí)顯示待測(cè)電源的電壓和電流值。
　另外，由于閉環(huán)負(fù)反饋的反饋環(huán)路（由PWM波發(fā)生電路、MOS管驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣放大電路、誤差放大電路等組成）較大，信號(hào)在一定程度上會(huì)延遲，因此必須在反饋環(huán)路上添加相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，防止電路震蕩。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 MOS能耗管電路
　電子負(fù)載是將待測(cè)電源能量按特定方式(恒流、恒阻、恒功率等)進(jìn)行耗散，用以測(cè)試待測(cè)電源的帶負(fù)載能力。本系統(tǒng)的MOS管電路就是能量耗散電路[6]，其具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

　 圖中，POWER和PGND為輸入待測(cè)電源；Vin為輸入PWM波，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)閉；R44、R45、R47、R48為1 ?贅 25 W的功率電阻；R46為高精度模壓電阻，實(shí)現(xiàn)電流采樣。此處采用多路MOS管并聯(lián)有兩個(gè)好處：
    (1)增強(qiáng)電路能量耗散能力，提高電路冗余度。如果其中一路MOS管電路損壞，其他MOS管電路都能正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。
    (2)多路MOS管電路并聯(lián)減小了MOS管電路的導(dǎo)通電阻，增加了系統(tǒng)的電流測(cè)試能力。
    由于功率耗散電路流過(guò)的電流較大，為了保護(hù)弱電控制部分不被干擾，系統(tǒng)在PCB板布局時(shí)將弱電控制部分和功率耗散部分分開(kāi)布局，分開(kāi)敷地，將功率耗散部分的地線(xiàn)引到弱電控制部分最初的輸入電源處進(jìn)行共地，以減小干擾。
　另外，MOS管電路是并將待測(cè)電源能量以熱量的形式耗散，在MOS管電路工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，系統(tǒng)在MOS管上安裝散熱片，并在其電路旁邊添加風(fēng)扇，保證電路能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
2.2 電流采樣電路
　系統(tǒng)電流采樣電路如圖3所示。圖中，POWER和PGND為待測(cè)電源。Vin為輸入PWM波，控制MOS管的工作狀態(tài)(圖中的MOS管應(yīng)該有四個(gè)并聯(lián)，這里為了簡(jiǎn)潔，只畫(huà)了一個(gè)示意)；R23為負(fù)載電阻；R31為超高精度模壓電阻，其阻值為0.05 Ω。系統(tǒng)MOS管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，采樣得到的電流信號(hào)是一個(gè)矩形波，故需對(duì)電流信號(hào)放大并積分,得到流過(guò)MOS管能耗電路的平均電流值。

 
    輸出電壓通過(guò)控制器的ADC采樣即可得到流過(guò)MOS管能耗電路的電流。系統(tǒng)采用TL082對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，TL082具有功耗低、輸入阻抗高、耐共模電壓高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
2.3 電壓采樣電路
    恒阻或恒功率模式下都需要知道待測(cè)電源的電壓值，根據(jù)預(yù)設(shè)值和電壓值計(jì)算出所需設(shè)定的電流值。圖4為系統(tǒng)的電壓采樣電路。圖中POWER和PGNG為輸入待測(cè)電源，Sample1為電壓采樣調(diào)理電路的輸出端，送入控制器ADC端口進(jìn)行采樣。設(shè)待測(cè)電源輸入電壓為Vin，經(jīng)采樣電路后進(jìn)入單片機(jī)ADC端口電壓為Vv，則Vin與Vv的關(guān)系為：

    圖4中，采樣分壓電阻R7和R13對(duì)系統(tǒng)精度有以下影響：在恒流模式下，使待測(cè)電源實(shí)際輸出電流比預(yù)設(shè)電流大；在恒阻模式下，使待測(cè)電源實(shí)際負(fù)載電阻比預(yù)設(shè)電阻??；在恒功率模式下，使待測(cè)電源實(shí)際輸出功率比預(yù)設(shè)功率大。為了減小分壓電阻對(duì)系統(tǒng)性能的影響，分壓電阻R7和R13的阻值應(yīng)盡量大，同時(shí)采用軟件補(bǔ)償減小誤差。
    圖4中采樣輸入端添加LC濾波。由于系統(tǒng)能耗電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在MOS管導(dǎo)通瞬間，負(fù)載電阻很小(約0.32 Ω)，待測(cè)電源電壓會(huì)被瞬間拉低，如圖5所示，在MOS管關(guān)閉時(shí)，待測(cè)電源電壓又恢復(fù)了正常。為了使采樣電壓更精確，需要在進(jìn)入分壓電阻之前進(jìn)行濾波，如圖4中的L1、C28，圖6為經(jīng)過(guò)L1、C28后的波形，從圖6中可以看出波形得到了明顯改善。為了達(dá)到更好的效果，在運(yùn)放放大信號(hào)的同時(shí)，使用同相積分(由U2、R12、C5、R19、C27組成)使電壓信號(hào)更趨于平均值；最后在輸出端加RC(R2、C29)濾波，得到最佳效果；另外軟件采用1 024次過(guò)采樣，提高精度。

    另外，在單片機(jī)ADC端口添加保護(hù)電路。由于待測(cè)電源電壓的不確定性，在電路輸出端加R2、D2(穩(wěn)壓管)等器件保護(hù)單片機(jī)的ADC端口不被燒壞。如圖4所示。
3 微控制器控制值的理論計(jì)算
　系統(tǒng)采用DAC8531作為控制電壓發(fā)生器，將控制電壓輸出到誤差放大器的同相端，DAC8531具有功耗低、精度高(16位)、軌對(duì)軌輸出等特點(diǎn)，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。輸出電壓由DAC寄存器內(nèi)的二進(jìn)制編碼D(在0～65 535之間)確定[7]：
    
    系統(tǒng)采用增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)的ATmega16控制器為主控芯片，設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互界面，其軟件流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)提高精度的方法
   系統(tǒng)通過(guò)控制PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電源的帶負(fù)載能力測(cè)試。系統(tǒng)采用了以下方法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度：
    (1)系統(tǒng)中的MOS管能耗電路是大功率部分,在PCB布局是將其與控制電路分開(kāi)，在控制電路電源的最初點(diǎn)共地，以減小MOS管能耗電路對(duì)控制電路的干擾。(2)系統(tǒng)軟件采用1 024次過(guò)采樣提高電流、電壓的采樣精度，同時(shí)采用軟件補(bǔ)償方式減小采樣電阻R7和R13(詳見(jiàn)圖4)對(duì)系統(tǒng)工作的影響。(3)在芯片供電電源的就近處添加0.1 μF的退耦電容，以減小其相互影響。
5 測(cè)試結(jié)果
    系統(tǒng)對(duì)恒流、恒阻、恒功率功能的精度進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)量待測(cè)電源的電壓和電流值。系統(tǒng)所選測(cè)試儀器有：MPS-3303電源箱兩臺(tái)；VC9807A+數(shù)字萬(wàn)用表兩臺(tái)。由于電源箱MPS-3303的最大輸出電壓約60 V，因此電壓測(cè)試范圍為0~60 V。
    表2給出了本設(shè)計(jì)在恒流模式下預(yù)設(shè)2.00 A電流時(shí)的精度，從表中可以看出，系統(tǒng)精度在1%以?xún)?nèi)，達(dá)到了較高的指標(biāo)。另外，系統(tǒng)預(yù)設(shè)功率小于100 W，如果超出該功率，則關(guān)閉MOS管，保護(hù)電路。從表中可以看出系統(tǒng)具有過(guò)載報(bào)警功能。

    表3給出了系統(tǒng)在恒功率模式下預(yù)設(shè)10.00 W、45.00W時(shí)的精度，從表中可以看出，系統(tǒng)在恒功率模式下的精度在3%以?xún)?nèi)，達(dá)到了較高的指標(biāo)。

    限于篇幅，文中只給出了恒流、恒功率模式下的數(shù)據(jù)。恒阻模式下，系統(tǒng)精度仍在3%以?xún)?nèi)。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊長(zhǎng)安,王蔚,趙亮,等. 基于反饋控制的恒流型電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2006,33(14):127-128.
[2] 楊振吉,付永杰.電子負(fù)載的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量技術(shù),2003(5):24-25.
[3] 陳廣贊,張莉,宋金巖.基于單片控制的恒流測(cè)試系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表, 2009,46(9):38-40.
[4] Meng-Yueh Chang， Jiann-Yow Lin, Shih-Liang Jung. Design and implementation of a real-time lossless dynamic load dimulator[C]. IEEE PESC′97,1997:734-739．
[5] 宋建成,劉國(guó)瑞,李永學(xué)，等. 基于改進(jìn)重復(fù)控制和雙閉環(huán)PI控制的逆變器研究[J], 煤炭學(xué)報(bào),2011(10):1768-
1772.
[6] 黃志瑛,謝光明.功率MOSFET在電子負(fù)載中的應(yīng)用[J].科技資訊，2008(1).
[7] Texas Instruments. Digital to Analog converter DAC8531.2001.