负载型电源的设计

负载型电源的设计

0负载器的搭建随着科学技术的发展，不同的电子产品层出不穷。决定哪个电子产品能够正常运行的最重要因素是电源，保证供电质量的关键是负载。早期的负载器主要是采用恒定负载阻值的方式，其主要是根据实际所需的电流值和电压值计算出实际所需的电阻值，然后选择相应功率的电阻来进行实际电路的搭建。这种方法的缺点是功率受限、测量范围有限1负载电子载的介绍金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻2该项目的内部设计2.1控制板、功率耗散板、电源板布置电子负载的设计包括主控电路、采样控制电路、功率电路、供电电源电路。按模块化的设计思路，多通道电子负载的设计分为4个模块：主机控制板、从机控制板、功率耗散板、电源板，整体方案如图1所示。从机板以板卡形式插在主机板卡上，从机板与功率板之间通过耐高温、大电流的硅胶线进行连接，电源板为上述3个部分供电。主机控制板与上位机通过RS232进行通信，通过上位机的操作来控制各通道的恒流（CC）、恒压（CV）、恒功率（CW）和恒阻（CR）模式，同时也可以实现通道选择、同步带载、同步触发、并联控制、动态功率分配等功能，在上位机上显示各通道的电压和电流、功率回读值。2.2控制部分设计(1）主机控制板：采用M0系列单片机作为整个系统的控制核心，与上位机之间通过RS232接口进行通信，与4个从机卡通过UART总线进行通信。（2）从机控制板：采用M0系列单片机作为从机板卡的控制核心，负责与主机板卡通过UART总线进行通信，负责对功率耗散板上的电压电流进行采样，控制该通道进入恒流恒压状态。（3）功率耗散板：系统中的4个相互隔离的功率消耗部分，配合散热器和风扇及时将热量传导到空气中。每块板卡含温度检测电路和风扇控制电路。（4）电源板：多通道电子负载要求每个通道互相独立，因此需要设计每个通道的独立电源，为主机控制板、4个从机卡和4个功率耗散板分别供电。3不同部分的设计3.1uart总线控制(1）通信接口：与主机通过RS232接口通信；与4个通道的从机通过UART总线通信。（2）控制核心：选择Cortex-M0系列单片机，带有至少5对串口。（3）接插件：用于固定4个从机板的板卡连接器。3.2采样电路设计(1）主控电路：Cortex-M0系列单片机最小系统电路设计。（2）采样电路：电压、电流采样电路设计，采样电路的元器件要求低温漂、高精度，才能保证采样电路的精度。（3）控制电路：恒流、恒压控制电路设计。（4）保护电路：反接保护电路、软启动电路。（5）监控电路：电流、电压监控电路设计，可连接到示波器，用于观察电压电流的变化波形。3.3等效电阻均流系统该部分主要电路如图2所示，控制信号CTR通过运放搭建的MOS管驱动电路来控制MOS管的导通情况，从而得到等效的电阻值。设计的关键点如下：（1）选用高压、大功率的场效应晶体管，MOS管比三极管的优势在于驱动电路相对简单，耐压较高。（2）将多路MOS管并联，为了保证每一路的电路均衡，防止出现炸管情况，需要在每一路串联一个均流电阻。由于MOS管与电阻的温度系数相反，两者串联起到相互制约的效果，从而使得每一路的等效电阻相等，达到均流效果。（3）采样电阻可选锰铜电阻，锰铜电阻具有低至10PPM/℃的温漂，低至0.1%的精度，可保证电流的采样精度。（4）场效应管产生的热量通过采用散热器加风扇的方式，排到大气中。热设计的注意点如下：1）根据电子负载所需耗散的最大功率向散热器厂家定制散热器，定制回来后进行严格的测试。2）通过温度传感器检测散热器上的温度，分阶段来调节风扇风速，按PWM方式逐步调整风扇转速，配合场效应管快速将产生的热量排出。3）由于需要保证多通道电子负载的每个通道互不干扰，因此每个通道的散热器之间均需要保持一定的距离。3.4电源供电电路(1）主机板上的MCU需要3.3V供电，主机板上的数字电路对纹波的要求不高，可采用开关电源方式。（2）从机板上的MCU需要3.3V供电，运放需要±12V供电，基准芯片需要5V供电，从机的模拟电路部分对电源纹波敏感，需采用线性电源方式。（3）风扇电路部分需要9V供电，可采用开关电源方式。（4）主板和从机板之间、各从机板之间的电源都需要互相独立。（5）综合上述几种供电情况，可采用现成的开关电源适配器的方案，对于模拟电路采用加线性稳压器的方式最大程度地减少纹波干扰，处理好地线减少共模干扰，其他模块可以直接使用开关电源。4模块设计及设计方案本文给出了一种多通道电子负载的模块化设计方案，将多通道电子负载系统分成主机控制板、从机控制板、功率耗散板、电源板4大模块，并对每个模