一種電源智能測試儀的設計與實現

葉敦范，劉 鑫，李亞敏，張夢炎

(中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074)

隨著電源產品使用的日益廣泛，電源產品的性能好壞成為消費者更為關注的事情。為確保質量，從國際到國內，都制定了一系列的電源標準來衡量電源產品的質量，每批電源產品的出廠，都要經過嚴格的老化測試和帶載測試。傳統(tǒng)的測試方法中一般都采用電阻、滑線變阻器、電阻箱等靜態(tài)負載充當測試負載，但這些負載已經不能滿足我們對負載多方面的要求，電子負載就是在實際應用中負載比較復雜的情況下而設計生產的測試設備。它能替代傳統(tǒng)的負載，尤其對吸收恒定電流或以恒定電壓吸收電流，或電壓電流都要在設定范圍突變等傳統(tǒng)方法不能解決的領域里，更能顯示出優(yōu)越性能[1]。

鑒于以上這些因素，設計出了一套能快速檢測電源參數的新型LED液晶顯示器驅動電源智能測試儀，該設備主要包括四路電子負載，電源控制主板和上位機智能測試系統(tǒng)。四路電子負載板以PIC16F877A控制核心，實現了設定電流、測電壓、測電流、實時接收上位機指令傳送采樣數據等工作模式，并采用液晶屏顯示被測電壓，恒定電流值。電源控制板采用PIC16F877A控制核心，通過接收上位機的控制指令，控制被測LED液晶顯示器驅動電源的供電開關、PSON信號、BKON信號和ADJ信號。同時測試電源板的 V_SEN1、I_SEN、V_SEN2和開關頻率信號并發(fā)給上位機。上位機智能測試系統(tǒng)通過采用ADM2483芯片搭建的RS485總線對四路電子負載和控制主板進行控制，對下位機傳送過來的采樣數據進行處理，從而對LED液晶顯示器驅動電源的性能做出判斷。

1 智能測試儀總體設計

智能測試儀采用PIC16F877A處理器，通過485串口通信總線接收上位機命令，實現電源恒定電流設置和電源在 OPEN、PSON、BKON、ADJ、負載短路、短路恢復等各個狀態(tài)的測試。測試通過內部A/D、CCP等模塊采集電源輸出電壓、電流、I_SEN、V_SEN1、V_SEN2、頻率等信息，并通過485總線發(fā)給上位機實時判斷。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

本設計整個系統(tǒng)分為3個層次：上位機、控制主板、電子負載。系統(tǒng)結構層次劃分如下：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

(1)上位機：含有電源所有參數信息，初始化設置中設置恒定電流和供電方式。測試過程首先給控制板發(fā)送測試狀態(tài)，控制板響應后，上位機發(fā)送各個模塊的反數據指令。

(2)控制主板：控制被測電源的測試狀態(tài)，包括：斷電、供電方式選擇，OPEN測試、PSON測試、BKON ADJ=0測試、BKON ADJ=5測試。同時能夠將被測電源板的V_SEN1、I_SEN、V_SEN2和開關頻率分別通過 A/D模塊和CCP模塊測試出發(fā)給上位機。

(3)電子負載：通過單片機輸出不同占空比的PWM波形，控制MOS管的導通和關斷時間，調節(jié)流過場效應管的電流，控制電源板的恒定電流大小，并實時監(jiān)測電源板電壓變化。同時能響應上位機恒流大小設置，短路和短路恢復命令并將各個測試狀態(tài)下的被測電源的電壓、電流發(fā)送給上位機[2]。電子負載結構示意圖如圖2所示。

圖2 電子負載結構示意圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 智能測試儀控制電路設計

電子負載系統(tǒng)和控制板系統(tǒng)的核心控制器選用Microchip公司的PIC16F877A單片機。PIC16F877A單片機在電子負載系統(tǒng)中主要實現以下功能：通過兩位撥碼開關實時判斷負載類型、占空比可調節(jié)的PWM控制信號輸出、實際電壓A/D采集、電流A/D采集、LCD顯示、485串口通信、鍵盤輸入等。

PIC16F877A單片機在控制板系統(tǒng)中主要實現：供電方式選擇、開電源、開 PSON、開 BKON、開 ADJ、電源板上V_SEN1電壓A/D采集、I_SEN電流A/D采集、V_SEN2電壓A/D采集和開關頻率采集，以及485串口通信等。

2.2 恒流電路設計

恒流電路采用場效應管式恒流源，場效應晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個受柵-源電壓控制的可變電阻。用MOSFET作可變電阻具有工作速度快，可靠性高和控制靈敏等優(yōu)點，而且既無機械觸點，也無運動部件，噪聲低，壽命長。但是MOSFET的通態(tài)電阻較大，且負載電流較小。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實際負載。此外，MOS型晶體管特別適合于開關狀態(tài)工作，因為它正向導通時的電阻極小，而且開關速度快，所以是一種理想的開關元件，這也正是電子負載使用場效應管式恒流源的原因[3]。根據系統(tǒng)的設計參數，取一定裕量，并考慮到實驗過程中的不定因素，決定選用N溝道增強型場效應管IRFP450。IRFP450的漏源極擊穿電壓VDS=500 V，最大漏源極連續(xù)導通電流為ID=14 A，靜態(tài)導通電阻 RDS(on)=0.400 Ω。

圖 3為 IRFP450輸出特性曲線圖[4]，在 4 V≤VGS≤5.3 V之間，滿足 0 A≤ID≤14 A,且當 VDS大于一定值時，ID的大小只隨VGS而變化，VGS不變則ID基本保持不變，這就基本滿足了恒流的條件，再加上ID負反饋調節(jié)VGS大小，能夠達到恒流的功能。當其通過較大電流時，MOSFET管上的功率較大，發(fā)熱很厲害，所以需要加上大散熱片，采用空氣冷卻方式解決大電流經過MOS管所導致的溫升[5]。

圖3 IRFP450輸出特性曲線

2.3 采樣電路設計

A/D是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要技術手段，為了讓負載準確工作，設計中對被測電源的輸出電壓、MOS管的電流、電源板I_SEN、V_SEN1和V_SEN2進行了實時采樣。采樣A/D選用PIC16F877A內部10位精度的逐次逼近型 A/D，采樣精度可達 5 V/1 024≈0.005 V，滿足設計需求，簡化了電路設計。

對電源輸出電壓測試中，電壓采樣電路要實現對0～250 V電壓采樣，則必須對輸入電壓進行分壓、選檔。分壓一般采用電阻分壓，使其最大輸入電壓小于5 V；選檔提高采樣電壓精確度?？紤]了模擬電子開關和繼電器選檔。CD4051是單8通道數字控制模擬電子開關，有3個二進制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。這3 bit二進制信號可以選通1～8通道的打開和關閉，也可連接該輸入端至輸出。但CMOS模擬開關并不像繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場合，只適于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數字信號，且必須共地，加光耦電路。因此采用繼電器控制選檔的減法運算電路。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 軟件總體框架和設計思想

下位機軟件總體流程如圖4所示，整個下位機為一個實時系統(tǒng)，采用輪詢的思想，對各個功能模塊輪流查詢,分時處理。其中指令的接收通過串口接收中斷服務程序實現，以及時響應上位機的請求。

3.2 時序控制

圖4 下位機軟件總體流程

圖5 時序控制流程圖

時序控制流程如圖5所示，各計數器的基準時間由定時器0產生，定時器每500 μs產生一次中斷作為基準時間，在中斷服務程序中對各計數器加1。在時序控制程序中，當A/D計數器計數到9，清零A/D計數器，并置A/D采樣標志，即每4.5 ms進行一次A/D采樣；當KEY計數器計數到19，清零KEY計數器，并置KEY掃描標志，即每9.5 ms進行一次按鍵掃描；當LOAD計數器計數到39，清零LOAD計數器，并置LOAD掃描標志，即每19.5 ms進行一次負載編號掃描;當LCD計數器計數到80,清零LCD計數器，并置LCD刷新標志,即每40 ms進行一次液晶顯示刷新。

3.3 通信程序設計

在下位機軟件設計中，首先需要進行通信協議的設計，進行通信信息幀結構的設計，異步串行通信以幀為單位，即每次傳送一個數據幀。PIC16F877A通過設置寄存器SPBRG設置串口波特率，設置RCSTA來設置串口的工作模式。單片機的數據發(fā)送和接收分別由數據發(fā)送單元和數據接收單元來完成的，發(fā)送為查詢方式，當檢查到數據寄存器為空時，把要寫入的數據發(fā)送，同時恢復串口為接收模式，接收以中斷方式[6]。

數據發(fā)送單元：單片機首先通過將數據寫入串口數據寄存器TXREG啟動發(fā)送過程，然后再控制邏輯的控制作用下將一位時鐘脈沖加載到移位寄存器，然后依次將起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位傳送至TXD端口。在一幀數據傳輸完成后，若又有數據寫入串口數據寄存器，則該數據立即裝入到移位寄存器(TSR)中，TXIF立即置1，當發(fā)送字節(jié)數據完成后，TXIF標志位在下一個周期清零。圖6所示為下位機通信軟件流程。

圖6 下位機通信軟件流程

3.4 上位機程序設計

系統(tǒng)上位機以VC為開發(fā)工具，上位機主要是用于控制下位機完成電源板的各項測試，并顯示測試數據，分析測試數據和保存測試數據。上位機通過屬性列表完成對電源參數預值的加載和測試步驟、負載的選擇。

整個測試過程中，上位機將統(tǒng)計被測電源總數，被測電源合格率。同時配有監(jiān)視串口實時觀察測試信息。

圖7 測試結果

4 測試結果

在系統(tǒng)測試中，主要通過上位機界面進行控制、設定、結果判斷，也可通過負載面板設定電流值和進行短路測試及短路恢復測試。通過上位機進行系統(tǒng)測試，首先加載電源型號的測試參數，需要修改測試參數時通過測試設置完成，然后初始化設置電流，監(jiān)視窗口接收到負載設置恒流成功的指令后，點擊“Start”或者按下空格鍵開始測試，界面會根據下位機返回的測試數據進行判斷，彈出相應的提示窗口。測試結果如圖7所示。

[1]李衛(wèi)華，謝珩.關于電子模擬負載研究現狀的探討[J].新余高專學報，2005，10(2)：47-49.

[2]劉志剛，和敬涵.基于電流型PWM整流器的電子模擬負載系統(tǒng)研究[J].電工技術學報，2004，19(6)：74-77.

[3]楊長安，王蔚，趙亮,等.基于反饋控制的恒流型電子負載的實驗研究[J].現代電子技術，2006(14)：127-128

[4]潘詩峰，趙健峰，王潯.大功率交流電子負載的研究[J].電力電子技術，2006,40(1)：97-100.

[5]王超，劉志剛，沈茂盛.模塊化電子模擬功率負載系統(tǒng)的設計[J].電氣應用，2005,25(9)：54-57.

[6]羅翼.PIC單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.