开关型电子负载.docx
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开关型电子负载
2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛
项目报告
题目：
开关型电子负载
学校：
成都理工大学
组别：
本科组
应用类别：
控制系统类
平台：
Cortex-M3
题目：
开关型电子负载
摘要
本文提出了一种基于TI公司CORTEX-M3为内核的32位单片机的智能开关型电子负载方案。
本设计以lm3s811芯片为控制核心，通过斜坡发生器产锯齿波和经比例积分运算得到的反馈电压作比较生高频PWM波控制MOSFET管的导通，然后经过误差比较器的PI调节构成闭环负反馈控制环路。
开关型电子负载具有优良的精度、稳定性和动态响应，并结合精确的软件控制，实现了电源测量的快速和准确。
关键词:
开关电子负载PI调节电源测试
Thisarticleputforwardakindofintelligentswitch-typeelectronicloadprogramfor32bitsofthesinglechipmicrocomputerbasedontheCORTEX-M3ofTIcompanyforthekernel.Thisdesigntolm3s811chipascontrolcore,thoughcomparingthesawtoothwave（STW）producedbyRampGeneratortothefeedbackvoltagegettingbytheproportionintegraloperation,itProduceshigh-frequencyPWMwavetocontrolMOSFETtubeconduction.AndthenafterthePIadjustmentoftheerrorcomparatorconstitutesaclosedloopcontrolloopnegativefeedback.Switchtypeelectronicloadwithexcellentprecision,stabilityanddynamicresponse,andcombinedwithprecisesoftwarecontrol,realizethepoweroftherapidandaccuratemeasurement.Keywords:
SwitchElectricLoadPIAdjustPowerTest
引言
随着全球石油等资源储量的紧张和环保压力，近年各国都在大力发展新能源和清洁能源。
清洁环保型电源已广泛应用于国民经济的重要行业领域，随着电源的发展，电源的精度、稳定性和高效性变得十分重要。
常规的电阻负载（滑动变阻器和电阻箱）由于其温度的变化会引起阻值的变化,当电流很大时产生的热噪声及自身温度骤然升高常常会影响测试结果。
比如:
在对一些高精度稳压电源、功率器件、电池等设备进行参数检测时,负载的性能会影响参数值的不精确。
为了得到理想的测试结果,阻值精确、性能优良的负载是必要的。
直流电子负载被广泛应用于电源类产品和功率电子元器件的实验、测试、检定、老化等环节。
为了能够准确的测出供电的电源（电池）的特性，我们设计一个便携式、智能的数字化开关型电子负载。
该开关型电子负载具有优良的负载精度、负载稳定性和方便的测量和分析控制功能。
1.系统方案
本开关型电子负载系统采用TI公司Cortex—M3内核的LM3S811单片机为控制核心，通过LCD显示和4X4矩阵键盘组成的人机交互界面设定系统的工作方式和数值；然后用ADC采样输入电压计算出接入电路的工作电流值和与之对应的DAC的输出电压值；接着将DAC的输出电压和经采用电阻通过采样电路得到的电压作比例积分运算并做相位补偿，构成误差比较电路。
再将运算的输出值与双极性的斜波作比较得到PWM波；PWM波经MOS管高速驱动电路控制MOS管的开通与关断，从而控制接入电路的电流值，构成了软硬件的闭环控制系统。
通过以上软硬件的闭环控制就能够得到可控的稳定电流值；再通过控制接入电路的稳定的电流值，经过软件的计算和处理得到可控的稳定的功率值、电压值、电流值。
最终实现了开关型的电子负载。
系统结构框图如下所示：
图1开关型电子负载系统框图
本设计的关键在于得到接入电路的可控的稳定电流，得到可控的稳定的电流的关键如下：
（1）产生双极性的不失真的斜波；
（2）采样回来的输入电压的精度，运用LM3s811自带的硬件过采样和自写的软件过采样，以牺牲少量时间来换取精度的方法保证采样回来的电压值准确可靠；
（3）纯硬件的PWM产生及PI调节的硬件负反馈环路，具有快速的硬件反馈，及动态调节能力，如图下图所示：
图2PI调节的硬件闭环控制环回路
（4）实时的软件反馈，采用了PI控制算法，实时检测采样电流、控制DAC输出，建立实时的软件闭环控制，如图所示：
图3PI控制算法的软件闭环控制回路
本设计的开关型电子负载实现了恒电流（CC模式）0—15A,恒电压（CV模式）0.5-25V，恒电压（CR模式）5—40000oU,最大模拟功率为50W的小功率高精度直流电子负载。
2.系统硬件设计
3.1控制模块
电子负载选用的是具有高性能、低功耗TI公司的LM3S811为处理器。
使用的控制接口如下表所示：
I/O口
应用
I/O口
应用
PC（4-7）,PA（0-3）
键盘
RESET
复位
PB0,1,2
液晶
ADC0,ADC1
ADC通道
外部6M晶振,pll倍频到200M，再10分频
时钟输入
ADC采样序列0的中断
中断
3.2人机交互模块
设计过程中，考虑到录制视频的需要，选用了主控芯片为ST7920的QC12864作为显示模块。
它具备了显示质量高，数字式接口，含字库等特点。
为了更好的实现人机交互，可通过键盘控制，实现菜单的显示和切换。
键盘作为输入设备，向MCU输入用户设定的指令和数据。
为了节约I/O口的占用，采用的矩阵式键盘，并用查询方式检测是否有按键被按下。
按键实现的功能有：
（1）工作方式选择键：
分为“”“”“”“”，在主菜单下任意切换工作方式；工作方式有：
恒功率模式、恒流模式、恒压模式、横电阻模式。
（2）数值键：
数字键“0”：
长按时进入主菜单；短按时输入“0”，其它数字键无复用功能，可根据需要设定任意数字。
（3）确定键：
“确定”，在主菜单下，为工作方式选择确定；在数字输入菜单下，为输入数据确定；
（4）后退键：
“后退”，在数字输入菜单下，为清除刚键入的数字；在工作菜单下，为后退到工作模式选择菜单。
3.3采样模块
A/D检测和测量环节的关键。
为了让负载准确工作在不同方式下，设计中对被测电源输出电压以及MOS管的电流进行了实时采样。
采样A/D直接用LM3S811自带的10位精度的逐次逼近A/D，采样精度为3000mv/1024。
电压采样电路中，因为被测电源电压范围广，电压高，采样前进行分压，电路如图4所示：
图4输入电压采样电路
电流采样电路中，使用高精度的0.05欧的模压电阻为采样电阻将电流转化为电压信号进行电流采样，这样电阻上分压小，并且采样精度高。
然后经低噪声，非斩波稳零的OP07两级放大和积分，电路如图5所示
图5电流采样电路
3.4谐波发输入电压生器
斜坡发生器电路包括同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器两部分，共同组成锯齿波电压产生电路。
仿真如下图所示：
图6斜坡发生器电路
于电容C的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形V0为锯齿波电压，Vo1为矩形波电压，设忽略二极管的正向电阻，其震荡周期为
3.5比例积分（PI）调节器串联校正设计
电子负载系统采取了闭环控制，在DAC设定输出电流调速过程中，考虑了串联校正方案。
用运算放大器实现的串联校正装置可以有比例积分（PI）、比例微分（PD）和比例积分微分（PID）三类调节器：
由于PD调节超前校正，可提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，但是以快速性限制来换取系统稳定性能。
因为设计时主要考虑系统的稳和准，对快速性要求不是很高，故选用PI调节器，如下图：
B
A
图7误差比较器电路
R1为5K，T=I=RC=1/f，则可计算出C为10nF，
3.6功率电路
电子负载的功率电路主要是MOS管和功率耗散电阻。
电子负载设计要求：
电流工作范围0~15A，电压工作范围;2~50V。
取一定裕量，选择了N沟道的MOS管IRFP260，其通态电阻较大，且负载电流较小，通过串联一个功率电阻耗散电能。
通过PWM来控制MOS管的关断来实现电源消耗的快慢。
3.系统软件设计
系统软件设计流程图：
用试凑法得到稳定电流流程图：
实时反馈的闭环控制实现恒压模式：
实时反馈的闭环控制实现恒功率模式：
实时反馈的闭环控制实现恒电阻模式：
实时反馈的闭环控制实现方式：
4.系统创新
本系统与传统的电子负载相比较，接入电路的MOS管工作于高频开关状态；硬件反馈与软件反馈相结合；可以实现能量的定向转换。
传统的电子负载，其MOS管工作于线性状态，能量在MOS管和功率电阻上以热能的形式耗散，由于其MOS管散热和器件本身应许的最大电流限制，使得传统的电子负载的最大工作电流一般在30A以下；而本系统的MOS管工作于高频开关状态；可以轻松的使电流达到50A及以上，系统的耗能装置也不仅仅限于功率电阻，可以有效的利用要耗散的能量，比如，转化为光能、机械能，运用逆变技术实现并网发电等；由于其能耗的可定向转换，使得不用像传统电子负载一样考虑散热，加之其软硬件结合和纯数字式的操作，使得其体积可以往小型化，便携式方面发展。
5.评测与结论
开关型电子负载的工作原理为利用实时可控的稳定电流来实现恒定电流、恒定电压、恒定电阻、恒定功率，所以本系统的测试重点就放在恒定电流的测试上，而对于恒压、恒阻、恒功率只对几组典型值进行测试。
（注：
由于实验室安全供电电源的最大电流只有3A，所以本次测试只对工作电流在3A以内的值进行测试）
恒流模式
输入值（mA）
50
100
200
300
400
500
600
700
实际值（mA）
60
120
220
320
418
518
616
715
输入值（mA）
800
900
1000
1200
1500
2000
2500
3000
实际值（mA）
812
910
1008
1202
1500
1980
2476
2960
恒功率模式
电压（v）
15.6
14.3
13.2
12.4
11.2
10.3
9.1
8
7
6.1
5
4
电流（mv）
0.16
0.17
0.18
0.185
0.2
0.2
0.23
0.26
0.28
0.34
0.4
0.51
恒功率模式
电压（v）
15.2
14.1
12.86
12
11.2
10
9
8
7
6
5
4
电流（mA）
0.41
0.38
0.41
0.44
0.46
0.51
0.56
0.63
0.73
0.85
1.02
1.28
恒阻模式
电压（v）
3.623
5.196
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