直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)制作(論文)

ID:161768 · 發(fā)表于 2017-8-16 03:16

直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)制作（F題）

青島大學(xué)莊翠竹劉丙坤鄭龍

專家點(diǎn)評(píng):本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載采用MSP430F2616 作為系統(tǒng)的主控芯片，實(shí)現(xiàn)了恒壓、恒流和恒阻三種工作模式，并且可以在三者之間通過鍵盤進(jìn)行程序模式切換。思路嚴(yán)謹(jǐn)，創(chuàng)意新穎，測試結(jié)果可信。論文撰寫格式尚待規(guī)范。

中國海洋大學(xué)信息學(xué)院程凱副教授

摘要

本電子負(fù)載采用 MSP430F2616 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片，可實(shí)現(xiàn)以下功能：有恒壓、恒流和恒阻三種模式，并且可以在三者之間通過鍵盤輸入程控切換。

通過按鍵及DA轉(zhuǎn)換設(shè)置電壓、電流、電阻的基準(zhǔn)；模擬電路部分主要采用比較器控制負(fù)載回路上的主控NMOS管柵壓，從而控制其導(dǎo)通情況即回路等效阻抗；AD對(duì)輸出電壓、電流采樣并通過液晶顯示；最后增加了過載保護(hù)、短路保護(hù)和過熱保護(hù)。在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上，CV范圍擴(kuò)大為0-35V，CC擴(kuò)大為0-4A，CR范圍為1-99Ω，并且增加了通過無線模塊實(shí)現(xiàn)的手持顯示器。

一、方案論證與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖：

圖1 直流電子負(fù)載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如上圖1所示，包括主控器、鍵盤、顯示電路、MOSFET功率電路和信號(hào)處理電路五個(gè)部分，信號(hào)處理模塊包括信號(hào)調(diào)整電路和信號(hào)調(diào)理電路。圖1中的待測電源是直流電子負(fù)載的待測電源，不屬于直流電子負(fù)載的系統(tǒng)組成。

1.主控器模塊的設(shè)計(jì)方案與選擇

主控器負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)其他各個(gè)模塊工作，并進(jìn)行簡單的數(shù)字信號(hào)處理。在整個(gè)電子負(fù)載系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關(guān)系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，使用AT89C51需外接兩路AD轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

方案二：采用TI單片機(jī)MSP430F2616。MSP430F2616比普通51單片機(jī)快8～12倍，尤其是其單片機(jī)內(nèi)部有12位ADC和12位DAC,可以省去外接兩路A/D轉(zhuǎn)換電路，并且有豐富的I/O口，大大提高了系統(tǒng)的整體性能和集成度。

選擇方案二以TI單片機(jī)MSP430F2616位控制核心，組成單片最小系統(tǒng)。

2. 恒流工作模式的設(shè)計(jì)方案與選擇

方案一：完全采用數(shù)字反饋控制的恒流源方案

這種電路是完全通過數(shù)字反饋實(shí)時(shí)調(diào)整由于負(fù)載變化帶來的電流變化，并不以基本的恒流電路為基礎(chǔ)。原理圖如圖2所示。

取樣電阻R串入負(fù)載回路，放大取樣電阻兩端的電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換可以得到負(fù)載回路的電流值，控制器采用一定的控制算法調(diào)節(jié)D/A輸出的電壓值，放大后直接作為負(fù)載的電源使用。

這種方案在控制原理上較簡單，原則上可以用在任意控制要求中。但是缺點(diǎn)是電路本身不具備恒流特性，負(fù)載變化引起的電流變化完全依賴數(shù)字反饋來調(diào)整。受控制器運(yùn)算速度、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換精度和速度影響，抗負(fù)載波動(dòng)能力差。所以不采用圖2所示全數(shù)字控制方案。

圖2 全數(shù)字反饋恒流源方案

方案二：壓控恒流源電路

該方案的基本思路是，模擬電路部分本身是恒流電路，對(duì)負(fù)載變化能自動(dòng)調(diào)節(jié)。壓控部分通過數(shù)字反饋控制，閉環(huán)控制作精確微調(diào)。

如圖7所示，該方案采用場效應(yīng)管和集成運(yùn)放，組成電壓比較電路，通過比較運(yùn)放1兩個(gè)輸入端的電壓，控制MOS管的工作的狀態(tài)，使它具有恒流特性。R4為取樣電阻。此方案的調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的跟隨性好，恒流性能優(yōu)越，轉(zhuǎn)換速度快，控制精度高。

綜上考慮，恒流工作方式的電路采用方案二：壓控恒流電路方案。

3. 恒壓工作模式的設(shè)計(jì)方案與選擇

方案一：采用可調(diào)穩(wěn)壓管電路，可以穩(wěn)定到穩(wěn)壓值，但是該電路需要穩(wěn)壓范圍1V~35V可調(diào)，可調(diào)穩(wěn)壓管不能完成，而且誤差較大。

方案二：類似恒流工作模式方案一的全數(shù)字反饋方案

如圖3所示，與全數(shù)字反饋的電流源電路原理先死，如果用于電壓精確可調(diào)的可變電源源場合，全數(shù)字方案無疑可以帶來極大方便。故選用方案二。

圖3全數(shù)字反饋的電壓源

4.A/D的設(shè)計(jì)方案與選擇

A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)以便于數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)、控制和顯示。題目要求精度在5%，所以A/D轉(zhuǎn)換器精度最小為8位。

方案一：采用M430自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器。自帶的A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼進(jìn)型AD，雖然分辨率可以滿足要求，但抗干擾能力較弱，因此不宜采用。

方案二：采用雙積分式的11路獨(dú)立輸入的A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543。A/D的分辨率為12位，可實(shí)現(xiàn)精確到0.1毫安級(jí)精度的控制。作為一款雙積分式AD，其抑制高頻噪聲和固定低頻干擾（50HZ或60HZ）的能力很強(qiáng)，us級(jí)的轉(zhuǎn)換速率也完全滿足系統(tǒng)要求，因此選用方案二。

5.D/A的的設(shè)計(jì)方案與選擇

D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的集成電路，它的模擬量輸出（電流或電壓）與參考量（電流或電壓）以及二進(jìn)制數(shù)成比例，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)化。

方案一：采用D/A轉(zhuǎn)換器AD7564。AD7564為12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快，精度高。但是在設(shè)定參考電壓的時(shí)候，以0.01V步進(jìn)，不能滿足要求。

方案二：采用DAC8811，是16位的DA。由于其線性度和穩(wěn)定性都非常好，在硬件上保證了系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)過大的震蕩和超調(diào)，能顯著提高電子負(fù)載的品質(zhì)。

6.MOSFET功率電路的設(shè)計(jì)方案與選擇

方案一：采用MTY25N60E MOS管，它常用于電力領(lǐng)域的應(yīng)用。專為高電壓、高速開關(guān)芯片,可以應(yīng)用于電力供應(yīng)、電機(jī)控制、PWM變流器等領(lǐng)域。

方案二：采用IRF540N芯片，具有低的導(dǎo)通內(nèi)阻、快速開關(guān)和低熱敏電阻。

因?yàn)樵诖祟}目下,MOS管需工作在可變電阻區(qū)，且承受最高3A的電流，發(fā)熱比較嚴(yán)重，通過比較論證，選擇方案二，采用IRF540N。

7.信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方案與選擇

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)處理包括濾波、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)的放大。A/D轉(zhuǎn)換由TI單片機(jī)MSP430F2616內(nèi)部提供，低通濾波就是用簡單的電容并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，故只對(duì)DA轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)算放大器提出方案。

方案一：采用LM358。LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。

方案二：采用OP07。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)壓的雙極性運(yùn)算放大器，使用于高增益的測量和放大傳感器的微弱等方面�？勺鳛橐环N雙極晶體管和小信號(hào)數(shù)字化的MOSFET取代低電壓應(yīng)用。

選擇方案二:OP07在高增益和高功率上比LM358占優(yōu)勢。

8．工作模式切換的設(shè)計(jì)方案與選擇

題目要求恒壓工作模式、恒流工作模式和恒阻工作模式，為了避免相互干擾，恒流、恒壓和恒阻電路分別獨(dú)立設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)三種模式的切換，必須引入可靠的開關(guān)。

方案一：采用CD4051 COMS模擬開關(guān)

此方案的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，缺點(diǎn)是引入該開關(guān)后，電池兩端的地線選擇困難。實(shí)際應(yīng)用中開關(guān)本身對(duì)模擬信號(hào)的支持不佳，極大影響電路整體精度。

方案二：繼電器開關(guān)

繼電器是最可靠的電氣隔離方式，采用繼電器開關(guān)后，電池充電電路的地線選擇非常方便，切換和工作非常可靠，對(duì)模擬信號(hào)傳遞沒有任何障礙。

選擇方案二繼電器開關(guān)。

電路設(shè)計(jì)及理論分析

電路設(shè)計(jì)部分：

1.恒流電路的設(shè)計(jì)

恒流工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流是根據(jù)設(shè)定的電流值保持而恒定，與輸入電壓無關(guān)，體現(xiàn)了它的恒流特性。恒流電路圖如圖4所示：

圖4 恒流電子負(fù)載電路

當(dāng)設(shè)置當(dāng)前恒流值后，單片機(jī)控制DA輸出相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓，此基準(zhǔn)電壓作為運(yùn)放1的同相端輸入。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，R4（檢流電阻）的分壓增加使得運(yùn)放1的V- 也增加，MOS管Q1關(guān)斷，R4分壓減小，負(fù)反饋?zhàn)罱K使運(yùn)放1的V-和V+相等，維持平衡。即R4上的電壓恒定，也即是流過R4的電流恒定；當(dāng)輸入電壓減小時(shí)，R4分壓減小，Q1導(dǎo)通程度大，R4分壓相對(duì)提高，最終也要實(shí)現(xiàn)運(yùn)放1的V-和V+相等，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定的穩(wěn)定電流。

2.恒壓電路的設(shè)計(jì)

恒壓工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流根據(jù)設(shè)定的負(fù)載電壓而定，此時(shí)負(fù)載電流將會(huì)改變直到負(fù)載電壓等于設(shè)定值為止，則電子負(fù)載電壓保持設(shè)定值不變，體現(xiàn)了恒壓的特點(diǎn)。恒壓電路如圖5所示。

圖5 恒壓電子負(fù)載電路

由DA輸入設(shè)定值參考電壓值與R5、R7分壓后的電壓值，用運(yùn)放進(jìn)行比較。若運(yùn)放正負(fù)輸入端電壓不相等，則運(yùn)放輸出控制MOS管開通，使輸出電壓恒定。達(dá)到恒壓工作模式。

3.恒阻電路的設(shè)計(jì)

恒阻工作模式，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流根據(jù)所設(shè)定負(fù)載電阻和輸入電壓的大小而定，此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓成正比，比值就是負(fù)載電阻。

恒阻的原理是基于恒流的原理實(shí)現(xiàn)的，主要是通過在恒流電路的基礎(chǔ)上通過單片機(jī)MSP430F2616檢測到的輸入電壓來計(jì)算電流，使兩者成比例，可達(dá)到實(shí)現(xiàn)恒阻的目的。恒阻電子負(fù)載電路如圖6所示。

圖6恒阻電子負(fù)載電路

假設(shè)要求恒阻模式時(shí)的電阻為R，有R/R1＝N，將DA的電壓設(shè)成V/N，所以R1兩端的電壓也是U/N，所以又

由于不斷的對(duì)電壓采樣，DA也在隨電壓變化而變化。這種情況下，表達(dá)式中不出現(xiàn)電壓，即電路的等效電阻是恒定的，因此實(shí)現(xiàn)了恒阻模式。

4.MOS電路的設(shè)計(jì)

電路當(dāng)中使用IRF540N為N溝道增強(qiáng)型的MOS管，在恒流工作模式時(shí)需工作在可變電阻區(qū)，已達(dá)到恒流的工作特點(diǎn)。所以需通過調(diào)節(jié)MOS管的UＧＤ＞UＧＳ（ｔｈ）這就需要MOS管工作在可變電阻區(qū)時(shí)UＧＤ＞3V。

5.保護(hù)電路

（1）過載保護(hù)路

負(fù)載回路上的電壓設(shè)定不得超過40V。在電流值采樣端，電壓不得大于5V，即流過1歐姆電阻的電流不得超過5A，實(shí)際中設(shè)置為4A，流過10歐姆電阻的電流不得超過0.5A，實(shí)際設(shè)定為0.4A。當(dāng)達(dá)到過載值時(shí)，單片機(jī)經(jīng)過AD得知后，會(huì)迅速把控制主控MOS管柵壓的MOS管導(dǎo)通，將柵壓拉到GND，使主控管截止，斷開負(fù)載，同時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)聲提醒。過載保護(hù)電路圖如附錄。

（2）過熱保護(hù)

因?yàn)殡娮迂?fù)載內(nèi)的MOS管在調(diào)整電路時(shí)工作在可變電阻區(qū)，在調(diào)整電流時(shí)會(huì)過熱。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電子負(fù)載內(nèi)部的功率器件以及電源的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)溫度超過限定值時(shí)采取一定的措施防止溫度進(jìn)一步升高以免發(fā)生危險(xiǎn)。系統(tǒng)溫度檢測是由數(shù)字溫度傳感器ds18B20實(shí)現(xiàn)的。Ds18b20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。硬件接口電路附錄圖？所示。

18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件溫度的檢測。當(dāng)檢測到溫度高于60度時(shí)，風(fēng)扇工作；當(dāng)溫度小于55度時(shí)，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。

6．無線顯示模塊：

用的nRF24L01芯片，用另一個(gè)單片機(jī)MSP430FE427A接收主控單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過12864顯示電壓、電流的設(shè)定值及實(shí)際AD采樣值。

軟件設(shè)計(jì)部分：

1.程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量，再經(jīng)過運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。在通過鍵盤設(shè)定好需要輸出電流值后，單片機(jī)對(duì)設(shè)定值按照一定的算法進(jìn)行處理。經(jīng)D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應(yīng)的電流值。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對(duì)恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機(jī)分析處理，通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電流或者電壓更加穩(wěn)定。程序流程圖附錄如圖6所示。

系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析

1．測試方法

（1）在測試基本部分指標(biāo)時(shí)，接歐姆負(fù)載RL，讓電源處于額定輸出功率工作狀態(tài)下，測量直流輸出電壓U0和總電流I0，并利用公式n=U02/（24*I0*RL）來計(jì)算供電系統(tǒng)的效率。調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓U0=8.0±0.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和分別為I0=1.0A和I0=1.5A，且分別設(shè)定I1 ：I2=1:1和I1 ：I2=1:2模式分配電流，測量I1 、I2的大小，計(jì)算誤差。

（2）在測試發(fā)揮部分指標(biāo)時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，I0在 1.5~3.5A之間變化，設(shè)定電流比在（0.5~2.0）范圍變化，在此，我們?nèi)蓚€(gè)模塊輸出電流之和分別為I0=2.4A和I0=3.5A，且分別設(shè)定I1 ：I2=0.8和I1 ：I2=1.8模式分配電流，測量I1 、I2的大小，計(jì)算誤差。

2．測試數(shù)據(jù)表格

1）恒流模式的測試

通過鍵盤設(shè)置恒定值和穩(wěn)壓電源提供不同的端電壓，測得測試點(diǎn)電流數(shù)據(jù)如附錄表1所示。

由數(shù)據(jù)表明，實(shí)測電流的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于2%。說明系統(tǒng)在恒流模式下工作正常。

2）恒壓模式的測試

恒壓模式的測試方法與恒流模式相類似，其測試所得數(shù)據(jù)如附錄表2所示。

由數(shù)據(jù)表明，實(shí)測電壓的值都穩(wěn)定在設(shè)定值左右，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)誤差小于1.5%。說明系統(tǒng)在恒壓模式下工作正常。

綜上所述，系統(tǒng)符合測試要求。

3）恒阻模式的測試

測試所得數(shù)據(jù)如附錄表3所示。

結(jié)論與系統(tǒng)改進(jìn)措施

（1）負(fù)載工作模式可以三種切換，超出題目要求。

（2）恒壓工作狀態(tài)下，調(diào)節(jié)相對(duì)誤差為4.1%，完全滿足題目要求。

（3）恒流工作狀態(tài)下，調(diào)節(jié)相對(duì)誤差為3.4%，完全滿足題目要求。

（4）具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為 4.6A（偏差范圍為0.1），滿足題目要求。

六、結(jié)束語

經(jīng)過四天三夜的辛勤努力，我們實(shí)現(xiàn)了題目的要求。在某些性能參數(shù)上超過了題目的要求。但由于時(shí)間緊，工作量大，系統(tǒng)還存在許多可以改進(jìn)的地方，比如電路布局和抗干擾方面還有很大的提升空間。相信經(jīng)過改進(jìn)，性能還會(huì)有進(jìn)一步的提升。本次競賽極大的鍛煉了我們，雖然遇到了很多困難和阻礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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附件：

程序流程圖