简易直流电子负载的设计与实现

　　摘 要：随着电力电子技术的飞速发展，传统负载测试电源性能的方法在高科技产品的生产中逐渐暴露出许多的不足之处。为了解决采用传统负载测试方法存在功耗较大、效率与调节精度低、体积大等问题，设计并制作一款适合随频率、时间变化而发生改变的被测电源的简洁、实用、方便的直流电子负载。系统主要由STC12C5A60S2单片机主控、增强型N沟道场效应管IRF3205功率管、矩阵按键、D/A和A/D电路等部分组成。实现了在一定电压与电流范围内恒压恒流任意可调，并通过LCD12864液晶显示屏显示被测电源的电压值、电流值及相应的设定值，具有输入被测电源电压过压保护和自动测量直流稳压电源负载调整率的功能。该电子负载可满足高等院校电工电子实验室或学生创新实验的需求，具有一定应用前景。

　　关键词：STC12C5A60S2单片机;恒流恒压;IRF3205;负载调整率

　　0 引言

　　在智能化电子产品给人们的工作生活带来极大便利的当今社会，其内部电源性能的好坏和稳定性将对人们高品质生活产生直接的影响[1]。对于低压直流电源的小型产品来讲，如何精确、快速测试其负载能力是电子行业钻研的问题[2]。传统测试方式是采用大功率电阻、滑线变阻器等充当测试负载。而传统负载体积大，在长期大电流测试情况下容易发热而造成老化或烧损，致使测试效率和精度降低，无法满足小型化电子产品对恒压、恒流负载的要求[3]。

　　基于上述传统测试方法存在的不足，同时为了适合随频率、时间变化而发生改变的被测电源，设计并制作一款简洁、实用、方便的直流电子负载。可设置恒定电压范围1～20 V和恒定電流范围100 mA～3 A内任意可调，通过矩阵按键能精确设置需要恒定的电压和电流值，并通过LCD12864液晶屏显示电流、电压、调整率等相关电参数，方便实验室和学生开发电路调试使用。

　　1 设计思路

　　系统由单片机核心控制模块、电压电流检测模块、A/D与D/A转换模块、恒压恒流控制模块、模式切换模块、功率控制模块、过压保护模块、系统供电模块等八个部分组成。具体设计思路是：首先用电压电流检测电路对输入被测电源的电压和回路电流在采样电阻(康铜丝)两端所产生的电压值进行采样，分别形成电压、电流检测信号，然后经外置A/D转换器送入单片机进行相应数据处理，直接显示被测电源的电压值和电流值。恒压恒流控制部分由矩阵按键设定待测恒定电压和电流值，经单片机内的A/D处理后，一方面直接显示设定值，另一方面经D/A数模转换模块输出相应的参考电压，通过电压比较器比较经前一级运放电路处理后与反馈到后级运放反相输入端的被测电压和被测电流，从而得到控制功率管导通量的电压或电流控制信号，进而实现恒压恒流控制。此外，可以通过两个独立按键实现恒压(CV)与恒流(CC)工作模式的切换和负载调整率的测定。当被测电源电压大于可测量最高恒定电压且达到一定数值时，通过单片机控制功率管截止来达到过压保护的目的。系统设计原理如图1所示。

　　3.3 恒压控制电路

　　所谓恒压工作模式，就是流入直流电子负载的电流无论如何变化，其两端电压都将保持不变。电路结构与恒流控制大同小异，只是同相比例放大器的反馈电阻和平衡电阻参数不同而已，如图4所示。由于按键所设定的电压值产生的参考电压DA_V比较低，不超过5 V，而本设计中要求的恒定电压范围为1～20 V，也就是采样电压比较大，为了与参考电压在同一个数量级上，先把采样电压经第1级运放组成的同相比例放大器缩小0.2倍，即U采=0.2Ui=(0.2～4) V，再送入第2级集成运放组成的电压比较器的同相输入端，与加在反相输入端的参考电压DA_V比较。当输入电压增大，大于参考电压时，比较器输出高电平，使功率管的导通量增加，栅漏电阻RDS减小，输入电压降低，实现恒压工作。

　　3.4 电流电压采集电路

　　为了能够实时显示直流电子负载接入被测电源后的输入电压和输入电流的数值大小，须使用图5所示的电流电压检测电路。

　　4 软件设计

　　系统软件部分可通过矩阵按键设定恒定电压与电流值，利用两个独立按键分别实现(CV)与(CC)工作模式切换，用LCD12864液晶显示屏实时显示被测电源的电压值、电流值以及相应的设定值。关于软件编程这里不做详细介绍。

　　5 数据测量

　　5.1 电路测试方案

　　测试时，可使用IT8512C可编程直流电子负载直接测量，或使用IT6322A电源为被测电源和3位半数字万用表等各种测量仪表对各个参数进行测量，由独立按键完成恒压和恒流工作方式的切换。当测试恒压或恒流时，IT8512C可编程直流电子负载的工作模式设置在恒阻(CR)模式下，并串联到回路中相当于1个负载的大小，这样可直接测量出回路的电流。

　　5.2 电路测试数据

　　1) 恒压(CV)工作方式下的设定电压测试

　　将IT6322A电源作为被测电源接入直流电子负载，由矩阵按键进行恒定电压值的设置，用数字万用表测量负载两端电压值，并将测出数据填入表1。

　　

 

　　根据测试结果分析可知，本设计可调恒定输出的电压范围符合题设(1～20 V)要求。

　　2)在恒流(CC)工作方式下，设定电流的测量

　　将电路工作模式切换为(CC)模式，并把IT8512C可编程直流电子负载和IT6322A电源接入电路，通过矩阵按键设置某一电流值，用数字万用表电流档测量不同设定电流值下的实际电流，或由IT8512C可编程直流电子负载直接测量，所得数据如表2所示。 由上述测试数据可知本设计的相对误差在5%以内。

　　3)在电子负载两端电压改变10 V时，不同设定电流值下的输出电流的变化量

　　可见，在直流电子负载两端电压改变10 V时，不同的设定电流下电流输出变化的绝对值小于1%。

　　4)过压保护测试数据

　　改变输入被测电源电压，观察直流电子负载在不同电压值下的输出显示，并把测出的数据填入表4。 从测试数据来看，系统在输入被测电源电压小于20.8 V时，为正常输出;大于20.8 V时，输出为0，即系统具有过压保护功能。

　　5)负载调整率的测试

　　电源负载调整率的测试是在保证外部直流电源电压不变的条件下，分别测量两种不同负载在设定电流为100 mA、1 500 mA和3 A三种情况下被测电源电压的大小，求出最大和最小电流时的测量电压与满载电流为50%时的电压差值，取两个差值中的最大值与满载电流为50%时的电压值的比值。

　　6 结束语

　　在恒壓、恒流工作方式下，通过对测试数据分析可知，测量值的分辩率可达到10 mV和1 mA，且相对误差小于5%;在电子负载两端电压改变10 V时，恒流工作方式下输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。本设计还具备了测量精度接近1%的自动测量直流稳压电源负载调整率的功能。

　　参考文献：

　　[1] 蒋红.多通道小功率电子负载设计与实现[D].南昌：东华理工大学，2016.

　　[2] 谭承君，曾国强，刘玺尧等.电子负载仪的设计[J].电子技术应用， 2013(8)：73-76.

　　[3] 周宪枫.基于PWM的馈能电子负载设计[D].苏州：苏州大学，2017.

　　[4] 黄正午.直流电子负载控制算法的研究[D].柳州：广西工学院，2011.

　　[5] 李承，徐安静，谭丹，等.模拟电子技术[M].北京：清华大学出版社， 2014.

　　[6] 张毅，丁鼎.直流电子负载的工作原理及使用方法[J].上海计量试， 2018，45(02)：54-55.

　　[7] 梁建豪.基于STM32的直流电子负载设计[J].电子测量技术，2018， 41(22)：116-120.

　　[8] 徐智超.基于运放芯片OP07实现的简易直流电子负载[J].电子制作，2013(07)：11.