*項(xiàng)目基金：2018—2020年廣西本科高校特色專業(yè)及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地（中心）建設(shè)項(xiàng)目：百色學(xué)院“電子信息工程”特色專業(yè)（批準(zhǔn)文號(hào)：桂教高教〔2018〕52號(hào)；編號(hào)：119）；2019年信息工程學(xué)院工程碩士專業(yè)學(xué)位授權(quán)點(diǎn)（電子信息）項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：盧翠珍（1969—），女，廣西橫縣，漢族，本科，高級(jí)講師，研究方向：電路設(shè)計(jì)與維修。

0   引言

在智能化電子產(chǎn)品給人們的工作生活帶來(lái)極大便利的當(dāng)今社會(huì)，其內(nèi)部電源性能的好壞和穩(wěn)定性將對(duì)人們高品質(zhì)生活產(chǎn)生直接的影響^[1]。對(duì)于低壓直流電源的小型產(chǎn)品來(lái)講，如何精確、快速測(cè)試其負(fù)載能力是電子行業(yè)鉆研的問(wèn)題^[2]。傳統(tǒng)測(cè)試方式是采用大功率電阻、滑線變阻器等充當(dāng)測(cè)試負(fù)載。而傳統(tǒng)負(fù)載體積大，在長(zhǎng)期大電流測(cè)試情況下容易發(fā)熱而造成老化或燒損，致使測(cè)試效率和精度降低，無(wú)法滿足小型化電子產(chǎn)品對(duì)恒壓、恒流負(fù)載的要求^[3]。

基于上述傳統(tǒng)測(cè)試方法存在的不足，同時(shí)為了適合隨頻率、時(shí)間變化而發(fā)生改變的被測(cè)電源，設(shè)計(jì)并制作一款簡(jiǎn)潔、實(shí)用、方便的直流電子負(fù)載。可設(shè)置恒定電壓范圍1 ～ 20 V 和恒定電流范圍100 mA ～ 3 A 內(nèi)任意可調(diào)，通過(guò)矩陣按鍵能精確設(shè)置需要恒定的電壓和電流值，并通過(guò)LCD12864 液晶屏顯示電流、電壓、調(diào)整率等相關(guān)電參數(shù)，方便實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生開(kāi)發(fā)電路調(diào)試使用。

1   設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)由單片機(jī)核心控制模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換模塊、恒壓恒流控制模塊、模式切換模塊、功率控制模塊、過(guò)壓保護(hù)模塊、系統(tǒng)供電模塊等八個(gè)部分組成。具體設(shè)計(jì)思路是：首先用電壓電流檢測(cè)電路對(duì)輸入被測(cè)電源的電壓和回路電流在采樣電阻（康銅絲）兩端所產(chǎn)生的電壓值進(jìn)行采樣，分別形成電壓、電流檢測(cè)信號(hào)，然后經(jīng)外置A/D 轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，直接顯示被測(cè)電源的電壓值和電流值。恒壓恒流控制部分由矩陣按鍵設(shè)定待測(cè)恒定電壓和電流值，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)的A/D 處理后，一方面直接顯示設(shè)定值，另一方面經(jīng)D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出相應(yīng)的參考電壓，通過(guò)電壓比較器比較經(jīng)前一級(jí)運(yùn)放電路處理后與反饋到后級(jí)運(yùn)放反相輸入端的被測(cè)電壓和被測(cè)電流，從而得到控制功率管導(dǎo)通量的電壓或電流控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒壓恒流控制。此外，可以通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)恒壓（CV）與恒流（CC）工作模式的切換和負(fù)載調(diào)整率的測(cè)定。當(dāng)被測(cè)電源電壓大于可測(cè)量最高恒定電壓且達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制功率管截止來(lái)達(dá)到過(guò)壓保護(hù)的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。

2   硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率控制及工作模式切換電路

功率控制電路主要由水泥電阻R30、R32 和R33、N-MOS 管（IRF3205）、采樣電阻（康銅絲0.1R）、偏置電阻R34、RB1 及電容CG1、CG2、C26、C27、C29 等構(gòu)成。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，N-MOS 管選擇IRF3205，它具備極低導(dǎo)通阻抗，R_DS(on)Max = 8.0 mΩ，持續(xù)漏極電流高達(dá)110 A（TC=25 ℃），漏極功率消耗PD 高達(dá)200 W（TC=25 ℃）。圖2 中的肖特基二極管D2（SK54）起到保護(hù)N-MOS 管的作用；由于本設(shè)計(jì)要求恒壓高達(dá)20 V，水泥電阻R32 和R33 采用串聯(lián)，以起到限流的作用^[4]。

若不用水泥電阻R32 和R33，當(dāng)高達(dá)20 V 恒壓輸出時(shí)，得到：

遠(yuǎn)大于IRF3205 的最大I_D=110 A(TC=25 ℃ )， 會(huì)把IRF3205 永久燒壞。若用阻值為0.15R 的水泥電阻R32和R33 串聯(lián)，當(dāng)高達(dá)20 V 恒壓輸出時(shí)，得到：

比110 A（TC=25 ℃）小得多，故IRF3205 可正常工作。

恒壓（CV）與恒流（CC）工作模式的切換可由555 定時(shí)器與外圍電阻電容組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制繼電器的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)^[5]，也可用單片機(jī)控制；本設(shè)計(jì)采用R17、RA1、Q4、D1 和5 V 直流繼電器組成的單片機(jī)控制模式。當(dāng)按下工作模式獨(dú)立按鍵時(shí)，單片機(jī)的I/O端輸出低電平，使三極管Q4 導(dǎo)通，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，從而使工作模式從CV 切換到CC。

圖2 功率控制及工作模式切換電路

2.2 恒流控制電路

在圖3 所示的恒流控制電路中，DA_C 為矩陣按鍵所設(shè)置的恒定電流值經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A/D 數(shù)據(jù)處理后，由D/A 轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓。由于本設(shè)計(jì)要求恒定電流的調(diào)節(jié)范圍為100 mA ～ 3 A，而圖2 中的電流采樣電阻RSC1 阻值為0.1 Ω， 因此采樣電壓的范圍為，為了使參考電壓 DA_C 與采樣電壓進(jìn)行有效比較，首先把參考電壓DA_C 經(jīng)第一級(jí)同相比例放大器縮小10%，然后送到后級(jí)電壓比較器的同相輸入端，與反相端電流檢測(cè)電阻RSC1 上的反饋電壓進(jìn)行比較，當(dāng)流入直流電子負(fù)載的電流增大時(shí)，反饋電壓增大，若大于同相端的參考電壓，比較器輸出低電平，使功率管的導(dǎo)通量減少，電流減少；反之，當(dāng)流入直流電子負(fù)載的電流減少時(shí)，反饋電壓減小，若小于同相端的參考電壓，比較器輸出高電平，使功率管的導(dǎo)通量加大，電流增加；可見(jiàn)，恒流控制是通過(guò)比較器輸出的高低電平來(lái)控制功率管IRF305 的導(dǎo)通程度而實(shí)現(xiàn)的。在恒流工作模式下，按照所設(shè)定的電流值，流入直流電子負(fù)載的電流維持恒定，與輸入電壓不相干，但與被測(cè)電源所能提供的最大電流有關(guān)。當(dāng)MOSFET 在線性工作區(qū)工作實(shí)現(xiàn)恒流時(shí)，MOSFET 發(fā)熱量很大，因此需要用散熱器來(lái)降低MOSFET 溫度；MOSFET 在耗散功率工作時(shí)，自身溫度也會(huì)升高，所以必須通過(guò)加快散熱的方式才能保證MOSFET 正常工作^[6]。

圖3 恒流控制電路

3.3 恒壓控制電路

所謂恒壓工作模式，就是流入直流電子負(fù)載的電流無(wú)論如何變化，其兩端電壓都將保持不變。電路結(jié)構(gòu)與恒流控制大同小異，只是同相比例放大器的反饋電阻和平衡電阻參數(shù)不同而已，如圖4 所示。由于按鍵所設(shè)定的電壓值產(chǎn)生的參考電壓DA_V 比較低，不超過(guò)5 V，而本設(shè)計(jì)中要求的恒定電壓范圍為1~20 V，也就是采樣電壓比較大，為了與參考電壓在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，先把采樣電壓經(jīng)第1 級(jí)運(yùn)放組成的同相比例放大器縮小0.2 倍，即U采=0.2Ui=(0.2 ～ 4) V，再送入第2 級(jí)集成運(yùn)放組成的電壓比較器的同相輸入端，與加在反相輸入端的參考電壓D_{A_V} 比較。當(dāng)輸入電壓增大，大于參考電壓時(shí)，比較器輸出高電平，使功率管的導(dǎo)通量增加，柵漏電阻R_DS 減小，輸入電壓降低，實(shí)現(xiàn)恒壓工作。

圖4 恒壓控制電路

3.4 電流電壓采集電路

為了能夠?qū)崟r(shí)顯示直流電子負(fù)載接入被測(cè)電源后的輸入電壓和輸入電流的數(shù)值大小，須使用圖5 所示的電流電壓檢測(cè)電路。

圖5 電流電壓檢測(cè)電路

因系統(tǒng)的輸出電流和電壓的精度主要取決于采樣電阻的精度和溫漂，如果是使用普通電阻，則溫漂大，阻值的大小受環(huán)境影響比較大，從而使電流、電壓的輸出精度和測(cè)量精度受到影響^[7]。所以本設(shè)計(jì)中采用0.1 Ω 的康銅絲作采樣電阻，同時(shí)使用較低輸入偏置電流和較低輸入失調(diào)電壓的集成運(yùn)放OP07C。采樣電阻在設(shè)定電流范圍內(nèi)采樣到的電壓只有0.01~0.3 V，為了便于ADS7816 模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，首先把電流檢測(cè)電阻上的反饋電壓通過(guò)同相比例放大器10 倍得到0.1~3 V， 即為送到ADS7816 的電流檢測(cè)信號(hào)ADC+，如圖5 中左圖所示。因?yàn)锳DS7816 的輸入?yún)⒖茧妷壕窒抻?00 mV~5 V，分辨率為12 位，電壓高達(dá)24 μV~1.22 mV。同時(shí)，本設(shè)計(jì)的恒定電壓范圍比較高，為1~20 V，所以需要通過(guò)由OP07C 組成的同相比例放大器縮小0.15 倍，得到0.15~3 V 的電壓檢測(cè)信號(hào)ADV+，如圖5 中右邊電路所示。在電壓檢測(cè)電路中，根據(jù)運(yùn)放的虛短、虛斷分析，得到關(guān)系式^[8]：

若

則

其中，為放大器的增益。故通過(guò)上述電路可得到相應(yīng)的電壓檢測(cè)信號(hào)ADV+ 或電流檢測(cè)信號(hào)ADC+，為ADS7816 芯片提供模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)。

3.5 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADS7816，它具有200 kHz 采樣頻率、低功耗運(yùn)行、自動(dòng)斷電、同步串行接口、差分輸入等特點(diǎn)。使用外部電壓4.096 V 輸入到參考端Vref，使其采樣電壓可以達(dá)到1 mV 分辨率。芯片第7 引腳（DCLK）是串行時(shí)鐘脈沖輸入，它控制ADS7816 的轉(zhuǎn)換速率。電壓電流的A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖6 所示。過(guò)壓保護(hù)電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可利用單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后與設(shè)定值進(jìn)行比較，以控制繼電器的通斷狀態(tài)來(lái)達(dá)到保護(hù)目的。

圖6 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

4   軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分可通過(guò)矩陣按鍵設(shè)定恒定電壓與電流值，利用兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別實(shí)現(xiàn)（CV）與（CC）工作模式切換，用LCD12864 液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示被測(cè)電源的電壓值、電流值以及相應(yīng)的設(shè)定值。關(guān)于軟件編程這里不做詳細(xì)介紹。

5   數(shù)據(jù)測(cè)量

5.1 電路測(cè)試方案

測(cè)試時(shí)，可使用IT8512C 可編程直流電子負(fù)載直接測(cè)量，或使用IT6322A 電源為被測(cè)電源和3 位半數(shù)字萬(wàn)用表等各種測(cè)量?jī)x表對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，由獨(dú)立按鍵完成恒壓和恒流工作方式的切換。當(dāng)測(cè)試恒壓或恒流時(shí)，IT8512C 可編程直流電子負(fù)載的工作模式設(shè)置在恒阻（CR）模式下，并串聯(lián)到回路中相當(dāng)于1 個(gè)負(fù)載的大小，這樣可直接測(cè)量出回路的電流。

5.2 電路測(cè)試數(shù)據(jù)

1) 恒壓（CV）工作方式下的設(shè)定電壓測(cè)試

將IT6322A 電源作為被測(cè)電源接入直流電子負(fù)載，由矩陣按鍵進(jìn)行恒定電壓值的設(shè)置，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量負(fù)載兩端電壓值，并將測(cè)出數(shù)據(jù)填入表1。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析可知，本設(shè)計(jì)可調(diào)恒定輸出的電壓范圍符合題設(shè)（1 ～ 20 V）要求。

2) 在恒流（CC）工作方式下，設(shè)定電流的測(cè)量將電路工作模式切換為（CC）模式，并把IT8512C可編程直流電子負(fù)載和IT6322A 電源接入電路，通過(guò)矩陣按鍵設(shè)置某一電流值，用數(shù)字萬(wàn)用表電流檔測(cè)量不同設(shè)定電流值下的實(shí)際電流，或由IT8512C 可編程直流電子負(fù)載直接測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如表2 所示。

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)可知本設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差在5% 以內(nèi)。

3) 在電子負(fù)載兩端電壓改變10 V 時(shí), 不同設(shè)定電流值下的輸出電流的變化量

在恒流（CC）工作方式下，輸入被測(cè)電源的電壓由IT6322A 電源供應(yīng)并設(shè)為U1 ，在設(shè)定電流的狀態(tài)下的回路電流記為I1 ，當(dāng)把U1 改變使之變成= +10 V（并要求U2 ≤10.5 V ）時(shí)，測(cè)得的回路電流為I2 ，并且 。如表3 所示。

可見(jiàn)，在直流電子負(fù)載兩端電壓改變10 V 時(shí)，不同的設(shè)定電流下電流輸出變化的絕對(duì)值小于1%。

4) 過(guò)壓保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)

改變輸入被測(cè)電源電壓，觀察直流電子負(fù)載在不同電壓值下的輸出顯示，并把測(cè)出的數(shù)據(jù)填入表4。

從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，系統(tǒng)在輸入被測(cè)電源電壓小于20.8 V 時(shí)，為正常輸出；大于20.8 V 時(shí)，輸出為0，即系統(tǒng)具有過(guò)壓保護(hù)功能。

5) 負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試

電源負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試是在保證外部直流電源電壓不變的條件下，分別測(cè)量?jī)煞N不同負(fù)載在設(shè)定電流為100 mA、1 500 mA 和3 A 三種情況下被測(cè)電源電壓的大小，求出最大和最小電流時(shí)的測(cè)量電壓與滿載電流為50% 時(shí)的電壓差值，取兩個(gè)差值中的最大值與滿載電流為50% 時(shí)的電壓值的比值，如表5 所示。

6   結(jié)束語(yǔ)

在恒壓、恒流工作方式下，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)量值的分辯率可達(dá)到10 mV 和1 mA，且相對(duì)誤差小于5%；在電子負(fù)載兩端電壓改變10 V 時(shí)，恒流工作方式下輸出電流變化的絕對(duì)值小于變化前電流值的1%。本設(shè)計(jì)還具備了測(cè)量精度接近1% 的自動(dòng)測(cè)量直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率的功能。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）