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直流電子負載設計制作（F題） 青島大學莊翠竹劉丙坤鄭龍
專家點評:本系統(tǒng)設計的直流電子負載采用MSP430F2616 作為系統(tǒng)的主控芯片，實現(xiàn)了恒壓、恒流和恒阻三種工作模式，并且可以在三者之間通過鍵盤進行程序模式切換。思路嚴謹，創(chuàng)意新穎，測試結(jié)果可信。論文撰寫格式尚待規(guī)范。
中國海洋大學信息學院 程凱副教授 摘要 本電子負載采用 MSP430F2616 單片機作為系統(tǒng)的控制芯片，可實現(xiàn)以下功能：有恒壓、恒流和恒阻三種模式，并且可以在三者之間通過鍵盤輸入程控切換。 通過按鍵及DA轉(zhuǎn)換設置電壓、電流、電阻的基準；模擬電路部分主要采用比較器控制負載回路上的主控NMOS管柵壓，從而控制其導通情況即回路等效阻抗；AD對輸出電壓、電流采樣并通過液晶顯示；最后增加了過載保護、短路保護和過熱保護。在實現(xiàn)基礎功能的基礎上，CV范圍擴大為0-35V，CC擴大為0-4A，CR范圍為1-99Ω，并且增加了通過無線模塊實現(xiàn)的手持顯示器。
一、方案論證與設計
系統(tǒng)框圖： 圖1 直流電子負載系統(tǒng)實現(xiàn)框圖 該系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如上圖1所示，包括主控器、鍵盤、顯示電路、MOSFET功率電路和信號處理電路五個部分，信號處理模塊包括信號調(diào)整電路和信號調(diào)理電路。圖1中的待測電源是直流電子負載的待測電源，不屬于直流電子負載的系統(tǒng)組成。 1.主控器模塊的設計方案與選擇 主控器負責控制與協(xié)調(diào)其他各個模塊工作，并進行簡單的數(shù)字信號處理。在整個電子負載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機價格便宜，應用廣泛，使用AT89C51需外接兩路AD轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)較為復雜。 方案二：采用TI單片機MSP430F2616。MSP430F2616比普通51單片機快8～12倍，尤其是其單片機內(nèi)部有12位ADC和12位DAC,可以省去外接兩路A/D轉(zhuǎn)換電路，并且有豐富的I/O口，大大提高了系統(tǒng)的整體性能和集成度。 選擇方案二以TI單片機MSP430F2616位控制核心，組成單片最小系統(tǒng)。 2. 恒流工作模式的設計方案與選擇 方案一：完全采用數(shù)字反饋控制的恒流源方案 這種電路是完全通過數(shù)字反饋實時調(diào)整由于負載變化帶來的電流變化，并不以基本的恒流電路為基礎。原理圖如圖2所示。 取樣電阻R串入負載回路，放大取樣電阻兩端的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換可以得到負載回路的電流值，控制器采用一定的控制算法調(diào)節(jié)D/A輸出的電壓值，放大后直接作為負載的電源使用。  這種方案在控制原理上較簡單，原則上可以用在任意控制要求中。但是缺點是電路本身不具備恒流特性，負載變化引起的電流變化完全依賴數(shù)字反饋來調(diào)整。受控制器運算速度、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換精度和速度影響，抗負載波動能力差。所以不采用圖2所示全數(shù)字控制方案。 圖2 全數(shù)字反饋恒流源方案 方案二：壓控恒流源電路 該方案的基本思路是，模擬電路部分本身是恒流電路，對負載變化能自動調(diào)節(jié)。壓控部分通過數(shù)字反饋控制，閉環(huán)控制作精確微調(diào)。 如圖7所示，該方案采用場效應管和集成運放，組成電壓比較電路，通過比較運放1兩個輸入端的電壓，控制MOS管的工作的狀態(tài)，使它具有恒流特性。R4為取樣電阻。此方案的調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的跟隨性好，恒流性能優(yōu)越，轉(zhuǎn)換速度快，控制精度高。 綜上考慮，恒流工作方式的電路采用方案二：壓控恒流電路方案。 3. 恒壓工作模式的設計方案與選擇 方案一：采用可調(diào)穩(wěn)壓管電路，可以穩(wěn)定到穩(wěn)壓值，但是該電路需要穩(wěn)壓范圍1V~35V可調(diào)，可調(diào)穩(wěn)壓管不能完成，而且誤差較大。 方案二：類似恒流工作模式方案一的全數(shù)字反饋方案 如圖3所示，與全數(shù)字反饋的電流源電路原理先死，如果用于電壓精確可調(diào)的可變電源源場合，全數(shù)字方案無疑可以帶來極大方便。故選用方案二。 圖3全數(shù)字反饋的電壓源 4.A/D的設計方案與選擇 A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號以便于數(shù)字系統(tǒng)進行處理，存儲、控制和顯示。題目要求精度在5%，所以A/D轉(zhuǎn)換器精度最小為8位。 方案一：采用M430自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器。自帶的A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼進型AD，雖然分辨率可以滿足要求，但抗干擾能力較弱，因此不宜采用。 方案二：采用雙積分式的11路獨立輸入的A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543。A/D的分辨率為12位，可實現(xiàn)精確到0.1毫安級精度的控制。作為一款雙積分式AD，其抑制高頻噪聲和固定低頻干擾（50HZ或60HZ）的能力很強，us級的轉(zhuǎn)換速率也完全滿足系統(tǒng)要求，因此選用方案二。 5.D/A的的設計方案與選擇 D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的集成電路，它的模擬量輸出（電流或電壓）與參考量（電流或電壓）以及二進制數(shù)成比例，可方便實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)化。 方案一：采用D/A轉(zhuǎn)換器AD7564。AD7564為12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快，精度高。但是在設定參考電壓的時候，以0.01V步進，不能滿足要求。 方案二：采用DAC8811，是16位的DA。由于其線性度和穩(wěn)定性都非常好，在硬件上保證了系統(tǒng)不會出現(xiàn)過大的震蕩和超調(diào)，能顯著提高電子負載的品質(zhì)。 6.MOSFET功率電路的設計方案與選擇 方案一：采用MTY25N60E MOS管，它常用于電力領域的應用。專為高電壓、高速開關芯片,可以應用于電力供應、電機控制、PWM變流器等領域。 方案二：采用IRF540N芯片，具有低的導通內(nèi)阻、快速開關和低熱敏電阻。 因為在此題目下,MOS管需工作在可變電阻區(qū)，且承受最高3A的電流，發(fā)熱比較嚴重，通過比較論證，選擇方案二，采用IRF540N。 7.信號處理電路的設計方案與選擇 本系統(tǒng)設計信號處理包括濾波、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和運算放大器對信號的放大。A/D轉(zhuǎn)換由TI單片機MSP430F2616內(nèi)部提供，低通濾波就是用簡單的電容并聯(lián)來實現(xiàn)，故只對DA轉(zhuǎn)換電路和運算放大器提出方案。 方案一：采用LM358。LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 方案二：采用OP07。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)壓的雙極性運算放大器，使用于高增益的測量和放大傳感器的微弱等方面�？勺鳛橐环N雙極晶體管和小信號數(shù)字化的MOSFET取代低電壓應用。 選擇方案二:OP07在高增益和高功率上比LM358占優(yōu)勢。 8．工作模式切換的設計方案與選擇 題目要求恒壓工作模式、恒流工作模式和恒阻工作模式，為了避免相互干擾，恒流、恒壓和恒阻電路分別獨立設計。要實現(xiàn)三種模式的切換，必須引入可靠的開關。 方案一：采用CD4051 COMS模擬開關 此方案的優(yōu)點是開關速度快，缺點是引入該開關后，電池兩端的地線選擇困難。實際應用中開關本身對模擬信號的支持不佳，極大影響電路整體精度。 方案二：繼電器開關 繼電器是最可靠的電氣隔離方式，采用繼電器開關后，電池充電電路的地線選擇非常方便，切換和工作非常可靠，對模擬信號傳遞沒有任何障礙。 選擇方案二繼電器開關。 電路設計部分： 1.恒流電路的設計 恒流工作模式時，電子負載所流入的負載電流是根據(jù)設定的電流值保持而恒定，與輸入電壓無關，體現(xiàn)了它的恒流特性。恒流電路圖如圖4所示： 圖4 恒流電子負載電路 當設置當前恒流值后，單片機控制DA輸出相應的基準電壓，此基準電壓作為運放1的同相端輸入。當輸入電壓增加時，R4（檢流電阻）的分壓增加使得運放1的V- 也增加，MOS管Q1關斷，R4分壓減小，負反饋最終使運放1的V-和V+相等，維持平衡。即R4上的電壓恒定，也即是流過R4的電流恒定；當輸入電壓減小時，R4分壓減小，Q1導通程度大，R4分壓相對提高，最終也要實現(xiàn)運放1的V-和V+相等，從而實現(xiàn)設定的穩(wěn)定電流。 2.恒壓電路的設計 恒壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流根據(jù)設定的負載電壓而定，此時負載電流將會改變直到負載電壓等于設定值為止，則電子負載電壓保持設定值不變，體現(xiàn)了恒壓的特點。恒壓電路如圖5所示。 圖5 恒壓電子負載電路 由DA輸入設定值參考電壓值與R5、R7分壓后的電壓值，用運放進行比較。若運放正負輸入端電壓不相等，則運放輸出控制MOS管開通，使輸出電壓恒定。達到恒壓工作模式。 3.恒阻電路的設計 恒阻工作模式，電子負載所流入的負載電流根據(jù)所設定負載電阻和輸入電壓的大小而定，此時負載電流與輸入電壓成正比，比值就是負載電阻。 恒阻的原理是基于恒流的原理實現(xiàn)的，主要是通過在恒流電路的基礎上通過單片機MSP430F2616檢測到的輸入電壓來計算電流，使兩者成比例，可達到實現(xiàn)恒阻的目的。恒阻電子負載電路如圖6所示。 圖6恒阻電子負載電路 假設要求恒阻模式時的電阻為R，有R/R1＝N，將DA的電壓設成V/N，所以R1兩端的電壓也是U/N，所以又 由于不斷的對電壓采樣，DA也在隨電壓變化而變化。這種情況下，表達式中不出現(xiàn)電壓，即電路的等效電阻是恒定的，因此實現(xiàn)了恒阻模式。 4.MOS電路的設計 電路當中使用IRF540N為N溝道增強型的MOS管，在恒流工作模式時需工作在可變電阻區(qū)，已達到恒流的工作特點。所以需通過調(diào)節(jié)MOS管的UＧＤ＞UＧＳ（ｔｈ）這就需要MOS管工作在可變電阻區(qū)時UＧＤ＞3V。 5.保護電路 （1）過載保護路 負載回路上的電壓設定不得超過40V。在電流值采樣端，電壓不得大于5V，即流過1歐姆電阻的電流不得超過5A，實際中設置為4A，流過10歐姆電阻的電流不得超過0.5A，實際設定為0.4A。當達到過載值時，單片機經(jīng)過AD得知后，會迅速把控制主控MOS管柵壓的MOS管導通，將柵壓拉到GND，使主控管截止，斷開負載，同時蜂鳴器會發(fā)聲提醒。過載保護電路圖如附錄。 （2）過熱保護 因為電子負載內(nèi)的MOS管在調(diào)整電路時工作在可變電阻區(qū)，在調(diào)整電流時會過熱。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電子負載內(nèi)部的功率器件以及電源的溫度進行實時監(jiān)測，當溫度超過限定值時采取一定的措施防止溫度進一步升高以免發(fā)生危險。系統(tǒng)溫度檢測是由數(shù)字溫度傳感器ds18B20實現(xiàn)的。Ds18b20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。硬件接口電路附錄圖？所示。 18B20實現(xiàn)對功率器件溫度的檢測。當檢測到溫度高于60度時，風扇工作；當溫度小于55度時，風扇停轉(zhuǎn)。 6．無線顯示模塊： 用的nRF24L01芯片，用另一個單片機MSP430FE427A接收主控單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過12864顯示電壓、電流的設定值及實際AD采樣值。 1.程序設計 本設計對單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。在通過鍵盤設定好需要輸出電流值后，單片機對設定值按照一定的算法進行處理。經(jīng)D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應的電流值。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實時監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機分析處理，通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電流或者電壓更加穩(wěn)定。程序流程圖附錄如圖6所示。 1．測試方法 （1）在測試基本部分指標時，接 歐姆負載RL，讓電源處于額定輸出功率工作狀態(tài)下，測量直流輸出電壓U0和總電流I0，并利用公式n=U02/（24*I0*RL）來計算供電系統(tǒng)的效率。調(diào)整負載電阻，保持輸出電壓U0=8.0±0.4V，使兩個模塊輸出電流之和分別為I0=1.0A和I0=1.5A，且分別設定I1 ：I2=1:1和I1 ：I2=1:2模式分配電流，測量I1 、I2的大小，計算誤差。 （2）在測試發(fā)揮部分指標時，調(diào)整負載電阻，I0在 1.5~3.5A之間變化，設定電流比在（0.5~2.0）范圍變化，在此，我們?nèi)蓚�模塊輸出電流之和分別為I0=2.4A和I0=3.5A，且分別設定I1 ：I2=0.8和I1 ：I2=1.8模式分配電流，測量I1 、I2的大小，計算誤差。 2．測試數(shù)據(jù)表格 1）恒流模式的測試 通過鍵盤設置恒定值和穩(wěn)壓電源提供不同的端電壓，測得測試點電流數(shù)據(jù)如附錄表1所示。 由數(shù)據(jù)表明，實測電流的值都穩(wěn)定在設定值左右，經(jīng)計算，相對誤差小于2%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。 2）恒壓模式的測試 恒壓模式的測試方法與恒流模式相類似，其測試所得數(shù)據(jù)如附錄表2所示。 由數(shù)據(jù)表明，實測電壓的值都穩(wěn)定在設定值左右，經(jīng)計算，相對誤差小于1.5%。說明系統(tǒng)在恒壓模式下工作正常。 綜上所述，系統(tǒng)符合測試要求。 3）恒阻模式的測試 測試所得數(shù)據(jù)如附錄表3所示。 （1）負載工作模式可以三種切換，超出題目要求。 （2）恒壓工作狀態(tài)下，調(diào)節(jié)相對誤差為4.1%，完全滿足題目要求。 （3）恒流工作狀態(tài)下，調(diào)節(jié)相對誤差為3.4%，完全滿足題目要求。 （4）具有負載短路保護及自動恢復功能，保護閾值電流為 4.6A（偏差范圍為0.1），滿足題目要求。 六、結(jié)束語 經(jīng)過四天三夜的辛勤努力，我們實現(xiàn)了題目的要求。在某些性能參數(shù)上超過了題目的要求。但由于時間緊，工作量大，系統(tǒng)還存在許多可以改進的地方，比如電路布局和抗干擾方面還有很大的提升空間。相信經(jīng)過改進，性能還會有進一步的提升。本次競賽極大的鍛煉了我們，雖然遇到了很多困難和阻礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進步。 參考文獻： ［1］華成英. 模擬電子技術. 北京：高等教育出版社， 2004.3 ［2］黃征.德州儀器高性能單片機和模擬器件在高校中的應用與選型指南.2010 ［3］謝楷．MSP430系列單片機系統(tǒng)工程設計與實踐．北京：機械工業(yè)出版社出版社，2009 附件： 程序流程圖 過載保護電路 溫度檢測電路
系統(tǒng)原理圖
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