简直直流负载设计

20122012年年 TI TI 杯杯 重庆市大学生电子设计竞重庆市大学生电子设计竞 赛赛 简易直流电子负载 简易直流电子负载 C C 题 题 参赛学校 西南大学参赛学校 西南大学 参赛队员 赵铭明参赛队员 赵铭明 宋府昌宋府昌 吕方吕方 指导教师 龙正吉指导教师 龙正吉 时间 时间 2012 8 72012 8 7 摘要摘要 随着现代的科技持续的发展 市场上对质量测试仪器的需求也在增加 这是因为需要 更好和更精确的测量来适应新生的科技 对于现代的大多数电子应用产品来说 使用可信 赖和节能高效的电源成为关键 正是由于这个原因 拥有一个可以准确的测出可以给其他 电器比如电动交通工具 3G 电脑电源供应器 手机甚至标准的家用电池等等供电的电 源的特性的测试仪器是十分重要的 直流可编程负载就是这样的一个仪器 它可以帮助我 们测试各种各样的设置 配置 方案和方法 本次试验设计基于 TI 公司的单片机 MSP4300 数据采集和控制 制作了一个简易直流电子负载 关键字关键字 直流电子负载 MSP4300 单片机 模数 A D ABSTRACT Along with the development of modern science and technology and sustainable development and the market demand of quality of testing instruments are also on the increase because the need to better and more accurate measurements to adapt to the new technology For most of the modern electronic application products for use reliable and energy saving efficient power be the key It is for this reason that have a can accurately measured out can give other appliances such as electric vehicles the 3 G computer power supply cell phones and even household battery power supply of standard and so on the characteristics of the power of the test instruments is very important Dc programmable load is such an instrument it can help us to test various kinds of Settings configuration scheme and methods This trial design based on the single chip microcomputer TI company MSP4300 data acquisition and control made a simple dc electronic load Keywords Dc electronic load MSP4300 microcontroller Module A D 一一 引言引言 顾名思义 作为电源的负载使用 类似负载电阻 可有效模拟实际负载 因其是可编 程的故负载的大小 加载以及卸载时间 加载速率均可以设定程式自动控制 主要用在电 源性能的测试方面 在理论上在电路中 负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装 置 它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉 如电灯将 电能转化为光能 蓄电池将电能转化为化学能 电机将电能转化为动能 这些都是负载的 真实表现形式 负载的种类繁多 但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载 容性负 载 感性负载和混合性负载 在实验室 我们通常采用电阻 电容 电感等或它们的串并 联组合 作为负载模拟真实的负载情况 进行电源设备的性能实验 电子负载是利用电子 元件吸收电能并将其消耗的一 种 负 载 电 子 元 件 一 般 为 功 率 场 效 应 管 Power MOS 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 等功率半导体器件 由于采用了功率半导 体器件替代电阻等作为电能消耗的载体 使得负载的调节和控制易于实现 能达到很高的 调节精度和稳定性 同时通过灵活多样的调节和控制方法 不仅可以模拟实际的负载情况 还可以模拟一些特殊的负载波形曲线 测试电源设备的动态和瞬态特性 这是电阻等负载 形式所无法实现的 1 作品简介 作品简介 我们组设计和制作一台恒流 CC 工作模式的简易直流电子 负载 按其要求 1 恒流 CC 工作模式的电流设置范围为 100mA 1000mA 设置分辨率为 10mA 设置精度为 1 还要求 CC 工作模式具有开路设置 相当于设置的电流值为零 2 在恒流 CC 工作模式下 当电子负载两端电 压变化 10V 时 要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的 1 3 具有 过压保护功能 过压阈值电压为 18V 0 2V 以及其各种发挥部分 1 能实时 测量并数字显示电子负载两端的电压 电压测量精度为 0 02 0 02 FS 分辨力为 1mV 2 能实时测量并数字显示流过电子负载的电流 电流测量精 度为 0 1 0 1 FS 分辨力为 1mA 3 具有直流稳压电源负载调整率自 动测量功能 测量范围为 0 1 19 9 测量精度为 1 2 方案设计方案设计 系统分为软件部分和硬件部分 系统硬件分为控制模块 恒流模块 检测 模块 显示模块四个部分 四个模块相互对应 共同处理信号 检测信号 显 示信号 系统软件就是单片机控制软件 2 1 理论分析理论分析 依据题目和问题 该问题只有恒流模式 图 1 是比较常用的恒流模式电路 其中也包括了题目所要求的功率器件 部分 因为此次比赛要求用到 TI 公司出品的各种优秀芯片 故此我们选用个 OPA2227PA 芯片 来完成电路设计 R1 为取样电阻 其中 VDD 是给定信号 电路工作原理是 当给定一个信号时 VDD 如果 R1 上的电压小于 VDD 也 就是 OPA2227PA 的 IN 小于 IN OPA2227PA 加输出大 使 MOS 加大导 通使 R1 的电流加大 如果 R1 上的电压大于 VDD 时 IN 大于 IN OPA2227PA 减小输出 也就降了 R1 上的电流 这样电路最终维持在恒 定的给值上 也就实现了恒流工作 如给定 VDD 为 10mV R1 为 0 01 欧时 电路恒流为 1A 改变 VDD 可改变恒流值 VDD 可用电位调节输入或用 DAC 芯片由 TKV5618 控制输入 如采用 DAC 输入可实现数控恒流电子负载 2 2 选择选择 TI 器件的依据 选型理由及所选器件介绍器件的依据 选型理由及所选器件介绍 器件一 器件一 MSP430G2553 1 简介 该设备有强大的16位的 RISC 处理器 16位的寄存器和常数的发电机 有助于最大 程度的代码效率 在数控振荡器 DCO 允许从低功耗模式 以唤醒主动模式在不到 1 s MSP430G2x53系列的 MSP430G2x13和超低功耗混合信号微控制器与内置的16位计时 器 24 I O 触摸感使针 一个通用的模拟比较器 和内置的沟通能力使用通用串行通信接口 2 引脚图示 器件二 器件二 OPA2227PA 1 简介 OPA227OP 结合精度高 噪音低和宽的带宽 使它们的需要双方 ac 和精密 dc 性能 的应用的理想选择 OPA227 是单位增益稳定 具有高转换率 2 3V s 和广泛的带宽 8MHz 或更大的 OPA228 闭环增益优化 5 并提供更高的速度与 10V s 摆率和带宽 33MHz OPA227 在低的静态电流和低 成本使他们需要高精度的便携式应用的理想选 择 OPA227 为的行业标准 pin for pin 的全线大幅改善 OP 27 OP 37 替代 双路和四路版 本可用空间储蓄和 perchannel 的降低成本 OPA227 在标准引脚配置 DIP 14 SO 14 包 操 作从 40 C 指定到 85 C 2 引脚图示 3 特征 低噪音 低噪音 3nV Hz 高带宽 高带宽 8MHz 2 3V s 建立时间 建立时间 5 s 高高 CMRR CMRR 138dB 高开环增益 高开环增益 160dB 低输入偏置低输入偏置 电流的 电流的 10nA 最大 低失调电压 低失调电压 75 V max 宽电源电压范围 宽电源电压范围 2 5V 到 18V 器件三 器件三 TLC5615TLC5615 1 简介简介 TLC5615 为美国德州仪器公司 1999 年推出的产品 是具有串行接口 的数模转换器 其输出为电压型 最大输出电压是基准电压值的两倍 带有上 电复位功能 即把 DAC 寄存器复位至全零 TLC5615 性能价格比高 目前在国 内市场很方便购买 2 2 TLC5615TLC5615 的特点的特点 1 10 位 CMOS 电压输出 2 5V 单电源供电 3 与 CPU 三线串行接口 4 最大输出电压可达基准电压的二倍 5 输出电压具有和基准电压相同极性 6 建立时间 12 5 s 7 内部上电复位 8 低功耗 最大仅 1 75mW 3 TLC5615TLC5615 引脚说明引脚说明 TLC5615 有小型和塑料 DIP 封装 DIP 封装的 TLC5615 芯片引脚排列如图 1 所示 引脚功能说明如下 脚 1 DIN 串行数据输入端 脚 2 SCLK 串行时钟输入端 脚 3 片选用通端 低电平有效 脚 4DOUT 用于级联时的串行数据输出端 脚 5AGND 模拟地 脚 6REFIN 基准电压输入端 脚 7OUT DAC 模拟电压输出端 脚 8VDD 正电源端 图图 2 5 22 5 2 TLC5615TLC5615 引脚排列图引脚排列图 2 3 设计方案论证设计方案论证 电子负载用于测试直流稳压电源 蓄电池等电源的性能 设计和制作一台 电子负载 恒流方式时不论输入电压如何变化 在一定范围内 流过该电子负 载的电流恒定 且电流值可设定 电源为外接 220V50Hz 交流电路 要求 1 恒流 CC 工作模式的电流设置范围为 100mA 1000mA 设置分 辨率为 10mA 设置精度为 1 还要求 CC 工作模式具有开路设置 相当于设 置的电流值为零 2 在恒流 CC 工作模式下 当电子负载两端电压变化 10V 时 要求 输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的 1 3 具有过压保护功能 过压阈值电压为 18V 0 2V 该设计方案 总的设计方式以之前提到的硬件软件设计思想一样 四大板块 再进行电脑软件模拟 我们是使用 mulitim 软件 在进行模拟中外围电路主要分降压电路 交流变直流电路 滤波电路 放大电 路等 电路大致图为 3 1 硬件设计硬件设计 1 恒流电路恒流电路 功率器件功率器件 R1 为取样电阻 其中 VDD 是给定信号 电路工作原理是 当给定一个信 号时 VDD 如果 R1 上的电压小于 VDD 也就是 OPA2227PA 的 IN 小于 IN OPA2227PA 加输出大 使 MOS 加大导通使 R1 的电流加大 如果 R1 上的电压大于 VDD 时 IN 大于 IN OPA2227PA 减小输出 也就降了 R1 上的电流 这样电路最终维持在恒定的给值上 也就实现了恒流工作 加 入 MOS 管使其有着稳定电源 最大电压得其最大电流电压乘积 二 电源供电电路二 电源供电电路 这次制作为了强调实用性 可操作性和简易性我们组供电电源选择为 国家通用供电电源 220V50Hz 的交流电源 为了引进我们需要的电压值 我们 先对最初电源进行降压处理 再用交直流变化电路使交流电路最后变为直流电 路电压变为 15V 左右 因为此电路还存在不稳定 存在波形 所以接下来使用 滤波电路 之后再用分别用两个 LM7812 和 LM7805 进行降压处理达到各个器 件所适用的电压值 3 总电路样式 总电路样式 4 作品性能及分析作品性能及分析 4 1 系统测试方法系统测试方法 硬件调试时 可先检查印制板及焊接的质量是否符合要求 有无虚焊点及线路间有无 短路 断路 然后用万用表检测 检查无误后 可通电检查 LCD 液晶显示器亮度情况 一般情况下取电压为 3 5 5V 及一定的限流即可得到满意的效果 然后再接入 0 18V 的 电源负载进行测量 4 2 测试性能概览测试性能概览 最开始测试 误差很大 离赤道显示为乱码 经过大量检测和调试发现问 题有如下 1 电线乱接 有些地方焊接时候没有焊好