可编程直流电子负载设计与研究论文

目 录摘要 .I关键字 .IAbstract.IKey words.II1 前言 .12 设计任务与要求 .32.1 设计任务 .32.2 设计要求 .42.2.1 基本要求 .42.2.2 发挥部分 .43 设计方案的选择与论证 .53.1 电子负载的工作原理 .53.1.1 恒定电流模式 .53.1.2 恒定电阻模式 .53.1.3 恒定电压模式 .63.2 系统整体设计方案论证 .73.2.1 负载器件选择 .73.3 负载工作模式的论证与选择 .73.3.1 恒流方案 .73.3.2 恒阻方案 .83.3.3 恒压方案 .83.4 电压电流检测方案论证与选择 .93.5 保护电路方案的选择 .94 可编程直流电子负载硬件的分析与计算 .104.1 系统总体方框图 .104.2 负载电路的分析与计算 .114.3 工作模式的分析与计算 .124.4 驱动电路的解析 .134.5 保护电路的分析 .135 电子负载流程图设计 .155.1 键盘识别处理与显示流程图设计 .155.2 电子负载计算值系统流程图设计 .166 系统测试与调试分析 .177 结论 .21参考文献 .23致谢 .24附录 A 可编程直流电子负载的供电电源 .25附录 B 设计实物图 .28可编程直流电子负载的设计与实现摘要本设计采用 8 个 100W 的 MOS 增强型功率场效应管并联连接作为电子负载，采用 STC12C5A60S2 低功耗单片机作为控制核心，控制电子负载的工作模式和系统的参数，电流、电阻、电压的数值可以通过键盘对其进行任意设置，而且还能够实时显示到液晶显示屏上。恒流模式电流的可调范围为 0-10A，恒压模式电压的可调范围为 5V-40V，恒阻模式电阻的可调范围为 10-200，电子负载的计算采用了逐次逼近法使电子负载的各个参数与设定参数无限接近，所以系统的准确度高，稳定性强，同时还具有过压、欠压、过流、过热及防反接功能。关键字STC12C5A60S2; 电子负载; 场效应管; 恒流Design and Realization of the Programmable DC Electronic LoadAbstractThe design adopted 8 enhanced power MOSFET(100W) connected in parallel as electronic load,and adopt STC12C5A60S2 low consumption SCM as the main controller to control the electronic loads working mode as well as its parameters,the figure of current resistance and voltage can be randomly setted through the keyboard,and its can also be displayed in the LCD simultaneous.Adjustable extent for constant current mode is between 0A to 10A,for constant voltage mode is 5V-40V,and for constant resistance mode is 10-200,the electronic load adopt successive approximation to make its parameters infinitely close to the figures which have been setted before,therefore the system have high accuracy and stability,and also have function which can guard against over-voltage,owe pressure,overflow, overheating,and wrong connecting.Key wordsSTC12C5A60S2; Electronic load; MOSFET; Constant currentI01 前言在人们生活的多个领域都要用到负载测试，如充电电源试验、蓄电池放电试验以及衡量购买电池、电源的特性时等都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载(如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)能耗放电的办法进行，此种方法存在操作不方便，散热性欠佳，准确率低等缺陷 1。随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测技术带来了革命性的变化。由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制、无线通信、计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电源，电子负载被广泛用于生产线( 手机充电器，手机电池，电动车电池，开关电源，线性电源) ，科研机构，汽车电子，航空航天，船舶，太阳能电池，燃料电池等行业 2。因于人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。而传统的电源检测技术面临着极大的挑战。为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测，大力发展动态负载或是可编程的电子负载变得越来越重要。所谓动态带载，就是电子负载做模拟的变化带载，也叫瞬态。其有几个重要的参数。变化斜率笼统的说是电子负载可以完成的变化速度，精确地说是电子负载变化时，从变化量的 10%90%的变化速率。恒流状态下的单位是 A/ms，A/us 3。 1响应时间:电子负载可以完成变化的最小时间单位为 us。电子负载的动态（瞬态）频率分为两种，动态频率（只包含一个上升沿或者一个下降沿，或者说单位时间变化的次数），瞬态频率（一个周期包含上升沿与下降沿）。从电源类型来看，电子负载可分为直流电子负载和交流电子负载两种。直流电子负载比起交流电子负载，应用的历史较长，范围更广。最初在实验室，利用电力电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载，可以实现定电阻、定电压等特性。随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载中，逐步可实现定电流模式和可编程斜率模式。单片机技术与变换器电路的密切结合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下，如定功率模式、动态电阻模式、短路模式、恒流与恒压模式、恒阻与恒压模式。此外可编程电子负载还有以下特点:(1)过流，过压，过功率，过热，极性反接保护； (2)高亮度，真空 VFD 屏，双排四路同步显示； (3)根据温度变化，无极伺服智能风扇系统； (4)电路软启动时间设定，可根据设定电压值带载； (5)电池测试及短路功能； (6)提供动态测试，上升下降斜率设定； (7)支持外部触发输入，输出； (8)提供外部电流波形监视端子； 2(9)支持远端电压补偿，多个数据存储； (10)开机自检，软件校正，标准仪器架设计 4;随着电子负载的进一步研究与功率场效应晶体管 (MOSFET)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和场效应晶闸管(MCT) 等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，变换器能更好的将一种电能变为另一种或多种形式的电能，交流电子负载也得到了实现。交流电子负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置，它能模拟一个固定或变化的负载，甚至将试验的电能反馈回电网，其设计初衷是交流电源出厂试验。交流电源出厂试验通常采用电阻箱耗能的办法，它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等缺点，而采用交流电子负载进行试验可有效克服这些缺点，它可使试验更加简单、灵活，且大大降低试验的成本。可编程直流电子负载还可以模拟真实环境中的负载（用电器） 。应该说所有的电源厂家都会有用，而且也必须有。由于电子负载在应用方面问题，直流电子负载应用比较广泛，可编程直流电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、可编程、体积小、重量轻、成本低、功率高、效率高等优点，由于可编程电子负载所具有的性能和优点，其被越来越多地应用到各种试验场合。因此电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景 5，本文将主要介绍可编程直流电子负载的设计与实现。2 设计任务与要求2.1 设计任务3设计一款可编程的直流电子负载，要求其具有电流、电压、和电阻模式，功率达到 500W 以上。2.2 设计要求设计一个有单片机控制的可编程直流电子负载，其由液晶显示,具有中文菜单,能实时显示电压、电流数据，并具有过压、欠压、过流、防反接保护和过热保护等功能，要求有恒阻、恒电流工作模式，恒阻模式可预置电阻值，功率不小 500W。2.2.1 基本要求(1)恒流模式下电子负载流入电流 Io 可设定，范围为 0.5-5A；以0.1A 为步进，并显示设定电流、实际电流（即 Io） ，电流误差0.1A。 (2)恒压模式下电子负载端电压 Uo 可设定，范围为 12-40V；以0.1V 为步进,并显示设定电压、实际端电压（即 Uo） ，电压误差0.1V，纹波有效值0.1V。(3)实时显示工作时长、机内温度。(4)电子负载功率不小于 500W。2.2.2 发挥部分(1)设计基本要求电流范围为 0.5-5A；电压范围为 12-40V，设计负载电流范围为 0-10A，控制精度达 98%；恒压模式下 :负载电压范围为 5V-40V（非总输入电压） ，控制精度达 96%，精度较高。(2)设计采用 STC12C5A60S2 低功耗单片机为控制核心，在散热较好的条件下，功率可达到 500W 以上。4(3)电路的采用了银线连接和高精度的霍尔电流传感器实时检测电路的总电流，总电流可达到 12A 以上。(4)设计需要进一步降低设计的制作成本，提高功率，降低功耗。3 设计方案的选择与论证3.1 电子负载的工作原理电子负载，顾名思义，是用电子器件实现的“负载” 功能，其输出端口符合欧姆定律。具体地说，电子负载的原理是控制内功率MOSFET 或晶体管的导通量（占空比） ，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备 6。电子负载一般具有定电流、定电压、定电阻、定功率、短路及动态负载多种模式，可以模拟各种不同的负载状况，其可用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。它能够准确检测出负载电压,精确调整负载电流,同时可以实现模拟负载短路,模拟负载可以是感性、阻性和容性。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻这三种。3.1.1 恒定电流模式在定电流模式中,在额定使用环境下, 不论输入电压大小如何变化电子负载将根据设定值来吸收电流。若被测电压在 510V 变化，设定电流为 100mA，则当调节被测电压值时，负载上的电流值应维持在 100mA 不变,而此时负载值是可变的。定电流模式能用于测试电压源及 AD/DC 电源的负载调整率。负载调整率 (LOAD REGULATION) 是电源负载的变化会引起5电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高，负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定的输出电压的能力, 是电源输出电压偏差率的百分比，是衡量电源好坏的指标。3.1.2 恒定电阻模式在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比例，即电子负载将吸收与输入电压成线性变化的负载电流。若负载设定为1 k, 当输入电压在 110 V 变化时, 电流变化则为110mA，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。在恒阻功能状态下，负载如纯电阻，吸收与电压成线性正比的电流。此方式适用于测试电压源、电流源的启动与限流特性等应用。3.1.3 恒定电压模式恒定电压模式是指电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，6即负载电压保持设定值不变。但前提是要在额定功率之下，即不能超过系统它所能承受的最大电流，图 3.1 中 MOS 管上的电压经 R3 与 R2 分压后送入运放 IN+与给定值进行比较，如图所示，当电位器在 10%时 IN 为 1V，MOS 管上的电压应为 2V，恒定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。另外, 负载可以模拟电池的端电压, 故可以使用于测试电池充电器。R 31 KR 21 KR 41