简易直流电子负载电子设计竞赛报告 精品.doc

江苏省大学生电子设计竞赛（TI杯）设计报告一、 方案的选择与论证1.1 系统总体方案论证电子负载可分为能耗式与回馈式，本要求中的设计对象为小功率电子负载，故采用能耗是。一般市场上精度不高的电子负载多用开关式，而高速高精度电子负载多用模拟方案。根据设计要求，拟定了6个方案，分别如图1-1至图1-6所示，提出的方案均具有短路保护功能。图1-1与1-2中采用不用形式的buck电路，这种电路的缺点是输入电流不连续，需要加大电容滤波，系统可靠性较低，且会改变被测系统的结构（输出端并联了电容）。图1-3是buck-boost型，输入电流也不连续，同样需要加输入滤波电容。图1-4与1-5为电流源型变换器，但是系统造价过高，且输入电流纹波同样取决于开关频率与电感值。图1-6中为线性MOSFET方案，控制MOSFET门极电压，保持MOSFET工作在饱和区，控制MOSFET内部电流。图1-1 方案一：Buck变换器A图1-2 方案二：Buck变换器B图1-3 方案三：Buck-Boost变换器图1-4 方案四：Cuk变换器图1-5方案五：SEPIC变换器图1-6 方案六：线性MOSFET负载方案1-6可以使用模拟技术实现，以LM324放大器，电流控制模块将采集的电流输入控制器，控制器根据参考值将误差放大生成MOSFET的门极电压。系统结构图如1-7所示，本地控制由模拟器件完成，系统级的参考值给定由MSP430的DAC完成，同时MSP430也实现人机接口的功能。表1-1分析了各种方案的优缺点，可以看出，线性MOSFET作为负载的情况是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。图 1-7基于线性MOSFET的模数混合方案表1-1各种方案比较性能拓扑输入电流纹波EMI主要器件数量可靠性成本Buck (A)取决于电感电容大4个以上一般一般Buck (B)取决于电感电容大4个以上一般一般Buck-Boost取决于电容大4个以上一般一般Cuk取决于电感大4个以上一般高SEPIC取决于电感大4个以上一般高线性MOS很小小1个高低1.2 本方案模块设计论证根据题目要求，系统可以划分为功率级模块、本地控制器模块、系统控制器模块、键盘模块、显示模块、辅助电源模块。为实现各模块的功能与配合，先对各部分进行论证。1. 电源模块本系统需要采用15V为运算放大器供电，5V电压作为控制器中的参考电压、MSP430最小系统板的供电电压以及LCD屏的供电电压、3.3V为MSP430供电。 由于在竞赛要求中未提出对辅助电源的要求，故采用18-24V的直流电压对系统的辅助电源系统进行供电。考虑到噪音的影响，采用线性调压芯片获得各电压等级。2. 键盘模块键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。3. 显示模块使用液晶显示屏显示负载电流和电压，LCD具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。另外系统中加入了LED显示，分别表示MSP430 5V供电电压正常（蓝光）、3.3V供电电压正常（蓝光）、系统正常启动（蓝光）、过压显示（蓝光）。4. 本地控制器模块芯片选择依据：TI公司生产的通用芯片。根据第1节中的论证，本设计采用了线性功率MOSFET，所以模拟方式是较好的实现方案，因为PWM模块会导致系统电流纹波加大且引入噪音。所以本设计选取了TI的通用放大器系列的产品LM324，四运放的集成放大器。单片LM324模块会完成电流放大、稳压、PI|调节的功能，为最经济实惠的方案。5. 系统控制模块TI推荐的MSP430是系统默认选项，由于在本设计中单片机不参与高速的控制回路运算，所以8M主频的MSP430F169完全满足要求。MSP430的数字I/O高达48个，同时拥有丰富的外设，适合与多种设备进行接口，也便于本设计的进一步扩展。6. 功率级模块采用绝缘栅型场效应管构成的电子负载，控制灵敏度高、工作速度快，既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载。二、 系统的硬件设计与实现1. 电源模块实现采用外接18-24V辅助电源，经7815，7805，AMS1117/3.3芯片得到5V电压。部分原理图如图2-1所示。图2-1部分电源模块原理图2. 键盘模块键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。硬件设计如如2-2所示。图2-2 键盘模块设计原理图3. 显示模块显示模块采用GZL12864的LCD屏，根据厂家推荐设计外围电路，使用了MSP430的P1口进行并口数据传输。4. 本地控制器模块硬件设计本地控制目标为带过压保护的恒流，先对恒流模式进行设计，如图2-3所示，负载电流经过采样电阻，被一级正比例环节放大、滤波，与给定参考值进行比较后一个三极点-二零点的PI调节器，输出一个稳态值作为MOSFET的门控电压，从而得到稳定的反馈电流。本功能使用了单片LM324。图2-3 电流控制模块原理图 要求系统静差为零的情况下引入负反馈，需要对其进行控制系统分析。根据MOSFET的输入特性曲线和器件参数，可以得到恒流控制下的MOSFET模型为一个比例环节与R-C滤波环节的级联波形，为一阶系统。电流反馈回路可以由H(s)建模，可以从图中得到而PI调节器传递函数为：利用MATLAB进行控制系统设计，波特图如图所示图2-4系统传递函数波特图由波特图可知，系统幅值裕量为-30dB，相位裕量约为-90，直流增益很大，而相比未经补偿之前的系统，其静态增益很小，且响应速度相对较低。经过控制系统设计，不但使得静态放大倍数增大，静态误差减小，而且提高了系统的快速性。电压控制模块为了保护系统，故对其控制系统的要求不高，系统采用了单极点单零点的PI调节器，如图2-5所示。采样电压经过跟随器、PI调节器输出作为MOSFET管的门极输入，当采样电压大于规定值时，经PI调节后，输出使得MOSFET关断，从而实现过压保护。图2-5电压控制模块原理图两个控制回路的整合如图2-6所示，根据谁低谁输出的原则，可以限制恒压的上限为18V，18V一下为任意恒流控制。图 2-6 带有过压保护的恒流模式选择电路5. 功率级模块 功率模块采用IXYS的IXTA-TP80N10T（100V80A）该器件完全可以工作于最大18V1A的情况下。图2-7 直流电子负载模块原理图三、 系统程序设计对于本系统，软件设计是系统控制的核心，是实现接口功能的关键。3.1 主系统流程图及主函数图 3-1 主程序流程图图 3-2 主程序源代码3.2 模拟开发软件使用的开发软件是IAR仿真软件，他是一种用于卡发不同应用不同的目标处理器的灵活的集成环境，提供一个方便的窗口界面用于迅速的卡发调试，可以使用C、C+汇编等多种语言开发。3.3 编程注意事项在软件编程时的应注意的几点事项：（1）所有功能模块都封装分子函数，方便于在其他函数和主函数中调用，简化主函数并使其看起来比较清晰，也可以封装成库函数。（2）尽量定义全局变量，方便在IAR中调试时观察变量中的值。四、 作品性能测试与分析4.1 所用仪器和测量工具测试主要用到YB1732A-3A直流稳压电源、数字型万用表、TPS2024数字型示波器。样机如图4-1所示。图 4-1 简易电子负载样机4.2 调试方法和过程测试方法：给各模块通电，将数字式万用表接入主电路，通过按键调节参考电流的大小，记录相应的输出电流值。将测量值与参考值进行比较，得到的误差数据如图4-2至4-6所示：图4-2 输入电压10V时全范围电流测试误差图图4-3 输入电压9V时全范围电流测试误差图图4-4 输入电压5V时全范围电流测试误差图表4.2.4 Vin=1V图4-5 输入电压1V时全范围电流测试误差图图4-6 输入电压0.5V时全范围电流测试误差图4.3误差分析（1）电阻阻值受温度影响（2）由于采用的通用运放，且没有做分段处理，电流测量不够精准4.4总结单片MSP430为核心进行整体控制，实现了电子负载的电流和电压调整，保证相应情况下电流和电压的稳定，很好地实现了参数调整和显示，完成了所有的基本要求和部分扩展要求。设计过