一種簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)

楊永超,譚曉娥，劉曉妤

(1.湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院 圖書館，湖北 恩施 445000；3.江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢 430035)

一種簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)

楊永超1,譚曉娥2，劉曉妤3

(1.湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000；2.湖北民族學(xué)院 圖書館，湖北 恩施 445000；3.江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢 430035)

針對(duì)電源設(shè)備或化學(xué)電池的測(cè)試需要，以STM32F103單片機(jī)為控制核心，外圍采用16位A/D、12位D/A以及功率MOSFT設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的高精度直流電子負(fù)載.測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間短、精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠.

直流電子負(fù)載;STM32F103;恒流模式；P-MOSFET

圖1 直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)框圖

在直流電源設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域通常要對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源、UPS、光伏電池、鋰電池、鎳氫電池及蓄電池等各類電源設(shè)備進(jìn)行負(fù)載條件下的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，即動(dòng)態(tài)地改變負(fù)載狀態(tài)使其處于恒定電阻、恒定電流以及恒定功率等三種工作模式，以便測(cè)試各類直流穩(wěn)壓電源設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性如負(fù)載調(diào)整率、輸出電流、保護(hù)特性等，以及各類化學(xué)電池的放電電壓、放電電流、放電深度、放電時(shí)間等.當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)電源類產(chǎn)品的試驗(yàn)一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)有功負(fù)載如電阻箱、滑動(dòng)變阻器等能耗放電的辦法進(jìn)行，所使用的負(fù)載設(shè)備體積大，不能自動(dòng)變參數(shù)運(yùn)行，且最后的測(cè)試數(shù)據(jù)需要另外添加儀器儀表來進(jìn)行[1-2].電子負(fù)載采用半導(dǎo)體電子器件、單片機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)“負(fù)載”功能，不僅可以動(dòng)態(tài)模擬真實(shí)情況下的負(fù)載變化，而且還能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出負(fù)載兩端的電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流[3-4]，甚至還能夠?qū)崿F(xiàn)模擬負(fù)載短路、負(fù)載的阻性或容性、容性負(fù)載電流上升時(shí)間等動(dòng)態(tài)及靜態(tài)特性參數(shù)等測(cè)試，極大的提高了電源設(shè)備及化學(xué)電池的測(cè)試效率，這是功率電阻等常規(guī)負(fù)載形式所無法實(shí)現(xiàn)的.

1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)被測(cè)電源/電池的測(cè)試要求，本文所設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載主要由MCU模塊、A/D及D/A模塊、電壓/電流檢測(cè)模塊、功率模塊、保護(hù)電路、通信接口及人機(jī)界面等部分組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.

1.2 工作原理

被測(cè)試的電源設(shè)備或電池直接與功率模塊相連，功率模塊實(shí)質(zhì)為N溝道增強(qiáng)型大功率MOSFET(TI公司的CSD17505Q5A).根據(jù)測(cè)試要求，MCU輸出相應(yīng)的控制量通過12位D/A轉(zhuǎn)換后加至功率MOSFET使其導(dǎo)通，被測(cè)電源/電池的輸出功率通過功率管的發(fā)熱來耗散.在測(cè)試過程中，系統(tǒng)能夠同時(shí)采集被測(cè)負(fù)載當(dāng)前的輸出電壓、電流等信息，并直接顯示在人機(jī)界面的TFT液晶屏上，同時(shí)還可以通過RS-485接口直接將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，方便工廠生產(chǎn)模式下對(duì)批量被測(cè)電源設(shè)備/電池的測(cè)試數(shù)據(jù)的集中匯總和處理.

測(cè)試過程中，系統(tǒng)還能夠根據(jù)測(cè)試要求，設(shè)定相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作電流，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流，當(dāng)流過功率管的輸出電流達(dá)到設(shè)定的動(dòng)作電流值時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，斷開功率負(fù)載，從而避免電流過大損壞被測(cè)電源設(shè)備或電池.

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU的選擇

系統(tǒng)采用的MCU為意法半導(dǎo)體公司出品的基于Cotex-M3內(nèi)核的32位ARM系列微控制器STM32F103，工作頻率可達(dá)72 MHz.該芯片上集成了最大64 KB的SRAM存儲(chǔ)器及512 KB的Flash存儲(chǔ)器，并具有豐富的電源管理功能及低功耗模式.此外，還具有CAN總線接口、USB接口等9個(gè)通信接口，其綜合性能良好，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.

2.2 電壓/電流檢測(cè)電路

1)電壓檢測(cè)電路

被測(cè)電源設(shè)備/電池的輸出電壓通過可調(diào)電阻分壓后送入到運(yùn)放TL082進(jìn)行調(diào)理.為了使調(diào)理后的輸出電壓與所采用的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入電壓匹配，并在一定程度上避免被測(cè)電源噪聲的影響、加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，采用HCNR201高線性度光耦進(jìn)行隔離[5]，然后再次利用TL082調(diào)理后送入A/D轉(zhuǎn)換.電壓檢測(cè)電路原理如圖2所示.

圖2 電壓檢測(cè)電路

圖3 電流采樣電路

2)電流采樣電路

電流檢測(cè)電路中取樣電阻采用0.05 Ω的康銅絲，工作過程中，康銅絲兩端的差模電壓通過高精度、寬共模范圍、雙向零漂移電流并聯(lián)監(jiān)控運(yùn)放芯片INA282進(jìn)行調(diào)理后送入A/D轉(zhuǎn)換.需要指出的是，INA282具有高達(dá)140 dB的共模抑制比以及0.3 uV/℃的偏移漂移使得康銅絲兩端的差模電壓的誤差可以忽略不計(jì)，進(jìn)一步保證了測(cè)量精度[6].電流采樣電路如圖3所示.

3)A/D及D/A

為了進(jìn)一步保證電壓電流的檢測(cè)精度，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的16位串行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115.該芯片具有高達(dá)860SPS的采樣速率，內(nèi)部包含可編程增益放大器PGA，4個(gè)單端或2個(gè)差分輸入接口，低漂移電壓基準(zhǔn)源，I2C接口及較低的電流消耗.

D/A轉(zhuǎn)換采用TI公司的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5616，帶有4線串行接口，可無縫連接STM32、SPI、QSPI和Microwire串行口.輸出緩沖是2倍增益Rail-to-Rail輸出放大器，輸出放大器為AB類以提高穩(wěn)定性、減少建立時(shí)間.

4)功率模塊驅(qū)動(dòng)電路

圖4 功率模塊驅(qū)動(dòng)電路

圖5 軟件流程

圖6 實(shí)物樣機(jī)

在測(cè)試過程中，往往需要“負(fù)載”保持恒流輸出模式，設(shè)計(jì)中通過引入負(fù)反饋來控制P-MOSFET的導(dǎo)通程度去控制測(cè)試電流并使其保持恒定.控制電路如圖4所示，圖中，U2A(LM358)為跟隨控制，U2B(LM358)為同相放大作為電流反饋.為了避免運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩，在U2A 的1、2腳之間并接103瓷片電容降低增益進(jìn)行補(bǔ)償，最終在功率管上可以保持電流恒定.

采用線性控制方式的電子負(fù)載，被測(cè)電源或電池輸出的能量全部損耗在功率管上，一般還需增加輔助散熱措施[7-8].CSD17505Q5A是TI公司的生產(chǎn)的N溝道功率MOSFET，具有VGS(th)=1.3V，RDS(on)= 3.7 mΩ的典型值，且在VDS=0.03 V、VGS=6.0 V的情況下能達(dá)到10 A的電流，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求.設(shè)計(jì)過程中，散熱器選用鋁型材XC766系列，根據(jù)廠家提供的散熱器包絡(luò)體積-熱阻曲線圖，最終采用了包絡(luò)體積為173.4 cm3的XC766散熱鋁片與風(fēng)扇輔助散熱.

5)RS-485通信模塊

RS-485通信模塊使用美信公司的MAX487芯片，并通過光耦HCPL-0601與MCU相連，在實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還可以防止通信電路帶來的干擾進(jìn)入其他電路，提高直流電子負(fù)載的可靠性.

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)原理，軟件部分主要實(shí)現(xiàn)電壓、電流采樣，過電壓/電流保護(hù)、觸摸屏的設(shè)置和顯示、上位機(jī)通信等功能.為了保證輸出電流的高度穩(wěn)定，程序設(shè)計(jì)時(shí)引入了PID控制功能，并實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)參數(shù)的自整定，系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示.

運(yùn)行過程中，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)整時(shí)采用PID控制實(shí)現(xiàn)，提高了電流控制的精度.其PID參數(shù)通過不斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自整定，實(shí)驗(yàn)過程中，通過不斷調(diào)整與測(cè)試，得到了一組適合于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的PID參數(shù)，并通過初始化進(jìn)行了預(yù)設(shè).此外，在實(shí)際高精度測(cè)量中，也可以通過重新整定及更新PID參數(shù)，使系統(tǒng)的控制精度及調(diào)整時(shí)間更加理想.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)過程，制作了一臺(tái)樣機(jī)，如圖6所示.

實(shí)驗(yàn)過程中，采用的測(cè)試儀器主要有DM3061高精度臺(tái)式萬用表、APS3003S-3D高精度直流穩(wěn)壓電源、UT56手持萬用表等設(shè)備.

在不同的工作模式下對(duì)所制作的直流電子負(fù)載進(jìn)行了一系列測(cè)試，相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示.

表1、表2的測(cè)試結(jié)果表明，恒流模式下電流相對(duì)誤差優(yōu)于3%，恒壓模式下對(duì)電壓的測(cè)量相對(duì)誤差更是達(dá)到了0.1%以下，調(diào)節(jié)時(shí)間小于1 s.且測(cè)試過程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在電壓電流異常情況下，能夠可靠的斷開測(cè)試回路，保障被測(cè)電源設(shè)備及系統(tǒng)本身的工作安全.

表1 恒流模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 恒壓模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文所述的簡(jiǎn)易小功率直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單，成本較為經(jīng)濟(jì)，功能豐富，界面友好，電壓測(cè)試設(shè)定范圍為0～20V，電壓分辨率為0.5mV，電流測(cè)試設(shè)定范圍0～4000mA，分辨率2mA.測(cè)試過程中，根據(jù)不同的測(cè)試要求，其工作模式可分別設(shè)定為恒壓模式、恒流模式及恒功率模式，各種模式下工作穩(wěn)定可靠，測(cè)試時(shí)間短，且在各種不同的工況下測(cè)試數(shù)據(jù)的精度非常高，能夠很好地適應(yīng)各種電源設(shè)備或化學(xué)電池的測(cè)試需要.

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責(zé)任編輯：時(shí)凌

TheDesignofaSimpleDirectCurrentElectronicLoad

YANG Yongchao1,TAN Xiaoe2,LIU Xiaoyu3

(1.School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.Libray of Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;3.Oil Production Technology Research Institute,SINOPEC Jianghan Oilfield Company，Wuhan 430035，China)

For the sake of testing the power equipments or chemistry batteries,this paper designs a direct current electronic load with high precision,using the STM32F103 as MCU， 16 bit A/D converter,12 bit D/A converter and Power-MOSFET as the other circuits. The testing data indicates that the system has short testing time,high precision and reliability.

Direct current electronic load; STM32F103; invariant mode; P-MOSFET

2014-05-10.

湖北省教育廳B類項(xiàng)目(B2013076).

楊永超(1981- )，男，碩士，講師，主要從事電力電子裝置與系統(tǒng)、電氣設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)方面的研究.

TP271.5

A

1008-8423(2014)02-0203-03