一種基于單片機(jī)的高壓小電流電子負(fù)載

顏敏

（中國電科芯片技術(shù)研究院，重慶，400000）

0 引言

電子負(fù)載在電子元器件的測試測量和各種加電試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，而高壓小電流電子負(fù)載則是其中一類。本文討論和研究了高壓小電流電子負(fù)載的相關(guān)原理和技術(shù)應(yīng)用。

1 基本原理

■1.1 控制原理

MOSFET 在工作狀態(tài)處于恒流區(qū)時(shí)，漏源極電流直接由溝道中的載流子數(shù)量決定。因此，增強(qiáng)型MOSFET 在VGS ＞VGS(th)時(shí)，漏源極電流ID直接由VGS決定，與VDS無關(guān)(VDS未超過最大極限電壓的情況下)，如圖1 所示。基于MOSFET 的這一特性，即可搭建一個(gè)負(fù)反饋電路，實(shí)現(xiàn)電流負(fù)載的程序控制，即電子負(fù)載。

圖1 N 溝道增強(qiáng)型MOSFET 伏安特性曲線

通過查閱相關(guān)資料[1～2]電子負(fù)載的主要是通過嵌入式系統(tǒng)[3～4]的單片機(jī)，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)建立通訊，并通過DAC 輸出的模擬量電壓值經(jīng)過運(yùn)算放大器之后作為功率MOSFET 的柵源極電壓VGS，從而控制MOSFET 的導(dǎo)通量，然后通過將帶載回路中取樣電阻兩端的電壓值采回并作為負(fù)反饋端與DAC 輸出作比較，進(jìn)而精確控制運(yùn)算放大器的輸出電壓值(即功率MOSFET 的柵源極電壓VGS)，精確控制帶載電流。

本文所研究探討的高壓小電流電子負(fù)載的功能框圖如圖2 所示。由圖可知，除通過硬件反饋回路調(diào)節(jié)MOSFET 的導(dǎo)通量外，還設(shè)計(jì)了MCU 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)[5]讀取帶載回路中取樣電阻兩端的電壓值，進(jìn)而計(jì)算出其電流值，并從程序上修正了DAC 的輸入值。通過兩層反饋調(diào)節(jié)及校準(zhǔn)過程，該電子負(fù)載帶載電流值得以精確控制。

圖2 功能框圖

電子負(fù)載中，帶載的MOSFET 是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件，與其周邊的運(yùn)算放大器、電阻、電容等共同構(gòu)成了主回路，其原理圖如圖3 所示。

圖3 主回路原理圖

圖3 中，右上方的PC1 為光MOS，是用于整個(gè)帶載回路的通斷控制，R34、R36、C21 構(gòu)成的回路為電壓測量回路，其中電壓測量點(diǎn)引出至后面測量選擇回路。

記運(yùn)算放大器U8 的同相輸入端電壓值為V1，輸出端電壓值為V2，記運(yùn)算放大器U10 的同相輸入端電壓為V3，則根據(jù)運(yùn)算放大器特性，有如下關(guān)系：

從圖3 中可以看出，N1 的柵源電壓VGS=V2-V3。記流經(jīng)N1 的漏極與源極之間電流為IDS，則V3=IDS×R30。由MOS 管特性曲線可知，IDS與VGS之間存在確定的映射關(guān)系IDS=f(VGS)。由以上可知，當(dāng)電壓值V1給定時(shí)，V2、V3、IDS均被唯一確定。當(dāng)V1增大時(shí)，運(yùn)放U8 的同相輸入端與反相輸入端之間的差值增大，故U8 的輸出端電壓值隨之增大，MOS 管N1 的VGS隨之增大，其中N 溝道載流子增加，IDS增大，V3亦隨之增大，運(yùn)放U10 因同相輸入端與反相輸入端之間的電壓差值增加，輸出電壓隨之增加，進(jìn)而使運(yùn)算放大器U8 的反相輸入端電壓增加，直至環(huán)路穩(wěn)定。反之，當(dāng)V1減小時(shí)，亦然。

■1.2 數(shù)據(jù)傳遞

整個(gè)設(shè)備以單片機(jī)為控制中樞，如圖4 所示。單片機(jī)線路主要包括輸入供電、晶體振蕩器、數(shù)字IO、模擬IO 等部分。

圖4 單片機(jī)線路圖

單片機(jī)通過SPI 的方式與16 位DAC 芯片建立通訊，以控制DAC 輸出電壓值，如圖5 所示。

圖5 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 線路圖

另一方面，設(shè)計(jì)了測量選擇回路，可選擇測量實(shí)時(shí)帶載電流值或測量實(shí)時(shí)電壓值，如圖6 所示。從取樣電阻兩端采回的電壓值，通過運(yùn)算放大器放大之后，輸入到16 位ADC 中，可區(qū)分輸入電壓的最小分辨率為其滿量程(即基準(zhǔn)源參考電壓)的1/216，本課題中采用的基準(zhǔn)源電壓為3V，故其分辨率為0.045mV，其量化誤差小于最低位的半個(gè)字[6]，模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢后，通過SPI 通訊傳回單片機(jī)，系統(tǒng)控制與采樣環(huán)路至此完成。

圖6 測量選擇回路

■1.3 供電系統(tǒng)

在該設(shè)備中，運(yùn)算放大器需要12V 的供電電壓，而單片機(jī)和DAC 需要3.3V 的供電電壓，ADC 需要2.5V 的供電電壓，其他功能性回路則需要5V 的供電電壓。因此，在設(shè)備供電采用12V 的電源適配器的情況下，必須經(jīng)過LDO 芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。且為了防止市電干擾傳入本設(shè)備，需要設(shè)計(jì)濾波電路。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)與比較，發(fā)現(xiàn)可采用π 型濾波電路達(dá)到目的，效果良好，π 型濾波電路由1 個(gè)3.3μH 的電感和2 個(gè)22μF 的片電容構(gòu)成。

同時(shí)，單片機(jī)、ADC 和DAC 還需要輸入一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓要求十分穩(wěn)定，不能直接由電源供電輸入。故設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)電壓回路，其中采用AZ431AN 作為基準(zhǔn)源，將12V 供電直接轉(zhuǎn)換為3V 的基準(zhǔn)電壓輸出?；鶞?zhǔn)電壓回路圖如圖7 所示。

圖7 基準(zhǔn)電壓回路

■1.4 多重采樣

在嵌入式系統(tǒng)中，采用C 語言編寫控制用的源代碼[7]?？紤]到系統(tǒng)中帶載主回路中的電流并不是完全不變，而是略微波動(dòng)的，因此需要采集一定時(shí)間段內(nèi)的電流值，取平均值后作為測量結(jié)果。而系統(tǒng)受各項(xiàng)因素干擾，存在一定的偶然誤差，故通過多次測量電流值，然后取一次平均值，舍去偏差較大(超出平均值±10%范圍的)的一部分值，再取平均值，再一次舍去偏差較大(超出平均值±3%范圍的)的值，再第三次取平均值和舍去偏差較大(超出平均值±1%范圍的)的值，最后剩下的值再取平均值作為最終結(jié)果。通過這種多次采樣逐次加嚴(yán)篩選的過程，將偶然誤差和白噪聲對測試精度的影響降到了最低，使信噪比最大化。

■1.5 聯(lián)機(jī)通訊

作為測量設(shè)備，本系統(tǒng)還考慮了受計(jì)算機(jī)程序控制的功能，采用了通用串行數(shù)據(jù)總線(UART)，用于異步通信，可實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收[8]。該總線結(jié)構(gòu)具備輸出緩沖寄存器，它接收計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)，并加以保存[9]。采用USB 轉(zhuǎn)UART 的方式，通過FT232 芯片，實(shí)現(xiàn)了本設(shè)備與上位機(jī)的通訊和程控功能。在通訊中，為了確保數(shù)據(jù)完整與正確，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為8 個(gè)字節(jié)，其中最后兩個(gè)字節(jié)為CRC16 校驗(yàn)(循環(huán)冗余校驗(yàn))[10]得出的值。循環(huán)冗余校驗(yàn)是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，并將得到的結(jié)果附在被傳輸數(shù)據(jù)之后的方法。接收數(shù)據(jù)的一方也執(zhí)行相同的算法，計(jì)算結(jié)果與預(yù)期值相符，數(shù)據(jù)才作為有效數(shù)據(jù)，否則作為無效數(shù)據(jù)被丟棄。CRC16 校驗(yàn)可將通訊出錯(cuò)的概率降低至1/216，有效地提高了通訊的可靠性。所寫CRC16 校驗(yàn)代碼如下：

/*************

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

■2.1 數(shù)據(jù)擬合

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，根據(jù)實(shí)際測得值和預(yù)設(shè)值，進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合。擬合結(jié)果如圖8 所示。通過數(shù)據(jù)擬合，對ADC測得值向預(yù)設(shè)值進(jìn)行線性變換的公式進(jìn)行了修正，更改其線性系數(shù)，使結(jié)果更為精確可靠。為達(dá)到校正目的，特采用MATLAB 軟件編程，然后通過Curve Fitting Tool 進(jìn)行了線性擬合。擬合時(shí)，將縱軸設(shè)為預(yù)設(shè)電流值，橫軸設(shè)為實(shí)測值。然后將采樣點(diǎn)的步進(jìn)值設(shè)為100μA 為步進(jìn)值，樣本數(shù)設(shè)為500，以聯(lián)機(jī)調(diào)試測得值為數(shù)據(jù)來源。

圖8 數(shù)據(jù)擬合圖

■2.2 驗(yàn)證校準(zhǔn)

最終設(shè)計(jì)完成之后，從最低帶載電流0.1mA 到最大量程50mA 選取了總共7 個(gè)較為典型的帶載電流值，對電子負(fù)載自身的測試精度，用計(jì)量合格的數(shù)字萬用表進(jìn)行了驗(yàn)證校準(zhǔn)。如表1～表6 所示。

表1 設(shè)定與測量值對比表(輸入50V)

表2 設(shè)定與測量值對比表(輸入100V)

表3 設(shè)定與測量值對比表(輸入150V)

表4 設(shè)定與測量值對比表(輸入200V)

表5 設(shè)定與測量值對比表(輸入250V)

表6 設(shè)定與測量值對比表(輸入300V)

3 結(jié)論

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有帶載準(zhǔn)確、測量精確、穩(wěn)定性強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為可以在實(shí)際電路中推廣使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。