电子负载电路图设计方案完整版.docx

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电子负载电路图设计方案完整版

摘要

本系统是基于MSP430单片机控制的电子负载，首先通过比较器将D/A给定的值和电路中的电流值反馈回来的电压值相比较。

再将比较结果送给功率器件的门极进行控制。

开关管出来的波形经过滤波之后使用电阻消耗功率。

再采样输入电流信号反馈给比较器，从而形成一个闭环系统达到恒流的目的。

系统中用带中文字库的液晶实时显示采样电流，电压和设定值等。

通过独立按键控制电流步进。

Abstract

ThesystemisbasedontheMSP430single-chipelectronicload,firstthroughthecomparatorwillD/Athegivenvalueandthecurrentinthecircuittovaluefeedbackvoltagevalueiscompared.Thecomparisonoftheresulttothepowerdevicegatecontrol.Switchtubeofthewaveformisfilteredafterusingtheresistancepowerconsumption.Samplinginputcurrentsignalisfedtoacomparator,therebyformingaclosedloopsystemtoachievethepurposeofconstantflow.SystemwithChinesecharacterLCDdisplayreal-timesamplingcurrent,voltageandthesettingvalue.Throughtheindependentbuttoncontrolcurrentstep.

一、方案论证

1.功率消耗方案

方案一：

采用功率场效应管（POWERMOS）、绝缘双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件工作在线性放大区，代替电阻等作为电能消耗的载体。

优点是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。

该方案需要多个开关管并联使用，需要外加较大的散热片。

方案二：

使用固定阻值功率耗散电阻消耗电路输出功率。

通过控制开关管的PWM波的占空比控制输入整个系统的电流。

优点是采用功率耗散电阻成本低，而且只需要一个开关管。

开关管工作在完全导通和完全关断状态，开关损耗小、寿命长。

根据以上分析，本设计采用方案二，以实现在低成本的情况下达到题目要求。

2．开关管驱动PWM波产生方案

方案一：

采用TI公司的开关电源专用芯片TL494产生稳定的PWM波控制开关管。

TL494内部集成两个误差放大器，通过电压反馈能对PWM信号的占空比进行调节，从而精确地调整输出电压具有较高的驱动能力，开关管能工作在完全导通或完全截止的理想状态，

它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激、半桥式、全桥式开关电源。

能提供很高的供电质量。

方案二：

使用LM358运算放大器将给定电压和整个系统的输入电流反馈回来的电压相比较产生一个PWM波控制开关管，优点是电路非常简单也能较好的控制开关管导通状态成本非常低，但由于放大器不是理想器件，开关频率不会太高供电质量低谐波大。

但是本设计采用功率耗散电阻消耗功率对供电质量没有要求。

综合考虑采用最简单实用的方案二。

3．采样电阻选择

方案一：

采用低电阻值高功率水泥电阻采集干路中的电流信号，散热不易发热严重，温度漂移大影响精度。

方案二：

采用电阻值为

的康铜丝绕制采样电阻，由于电阻丝很长，利于散热能够承受很大的电流，能够获得精度非常高的采样电阻值。

而且康铜丝温度漂移非常小。

根据以上分析选择方案二。

4．电流采集方案

方案一：

采用OPA2340构成三运放减小温度漂移带来的影响，放大采样电阻上的微弱差分电压信号。

由于用碳膜电阻误差能达到5%所以难以十分精确地获得想要的放大倍数和采样精度。

方案二：

采用电流并联监控器INA282。

放大微弱电压信号，有效增益50v/v温度漂移低，供电范围宽广。

具有非常高的准确度，宽共模范围。

外围电路十分简单，系统稳定性高。

根据以上分析采用方案二。

5.过压保护方案

方案一：

采用单片机控制A/D采集被测电源两端的输出电压信号，一旦电压值超过阀值电压，通过控制D/A将给定电压调至0V。

从而关断开关管断开回路，达到保护的功能。

但是一旦被测电源电压超过开关管击穿电压，电路仍然会导通并烧毁电路

方案二：

采用单片机控制A/D采集被测电源两端的输出电压信号，一旦电压超过阀值电压，通过IO口输出低电平控制三级管驱动继电器。

继电器断开常闭触点，达到电气隔离的目的。

由于使用了24位A/D，动作电压十分精确。

能够程序控制，十分灵活。

方案三：

使用18V稳压管，继电器、一个按键构成起动、保持、停止简称（起保停电路）典型控制电路。

当电压值超过18V的时候，18V稳压管导通，继电器线圈得电并自锁，断开继电器常闭触点。

从而达到过压保护的功能。

当解除过压故障后手动断开继电器线圈电压。

继电器线圈失电并自锁闭合常闭触点，回路导通。

但是稳压管击穿电压并不能十分精确的控制在18V。

综合考虑选择方案二，简单实用，成本低。

二、理论分析与计算

系统拓扑图

1.功率耗散电阻的选择与计算。

设计系统最低工作电压为3V，最大电流值为1A。

被测电源输出功率为3W，那么功率耗散电阻需要耗散掉3W的功率。

此时假设占空比为100%开关管完全导通，加在滤波电路前的电压值为3V，因为有续流二级管分流，所以流过功率耗散电阻的电流最

小为1A，若经过滤波没有电压损失，加在负载上的电压为3V。

那么功率耗散电阻的最大值为

取一定的裕量功率耗散电阻选为2欧姆，由于功率耗散电阻需要消耗大量的热过大电流

使用大电阻值康铜丝绕制，实际电路中使用20欧姆6安的滑线变阻器代替。

2.反馈电压参数相关计算。

系统A/D采样芯片为ADS1255采集电压范围为0-6v。

电流并联互感器增益为50V/V所以采样电阻上的电压采集范围为0-120mv。

电路中的最大电流为1A，所以根据

可知采样电阻最大为0.12欧姆，选取一定的裕量设定电阻为0.1欧姆

3.单闭环控制回路的论证与计算。

设当前被测电源输入电压为，功率耗散电阻为2欧姆。

系统设定输入电流恒定为1A培。

采样电阻为0.1欧姆，此时采样电压信号为0.1V

电流并联互感器增益50倍，反馈回比较器的电压为5V。

那么要使系统平衡，单片机D/A输出电压值为5V，当回路中的电流降低时，反馈电压降低。

给定值大于反馈电压，比较器输出高电平，开关管导通。

电压整流后流经功率耗散电阻并消耗，系统中电流增大。

反馈电压信号同时增大，当反馈电压高于5V时比较器电输出低电平开关管关断。

周而复始产生一个PWM波控制开关管，反映到示波器上为占空比变化。

当被测输入电压为功率耗散电阻为2欧姆。

设定输入电流为1A那么当前功率耗散电阻消耗的功率为

假设当前开关管占空比为100%在单位时间T内消耗的能量为

当电压提升为15V时要维持电路中电流恒定，也就是在单位时间T内功率消耗电阻上消耗的能量不变。

此时负载输出功率为

那么假设当前开关管占空比为100%时消耗在电阻上的能量

要使功率消耗电阻上消耗的能量想等那么导通的时间为

开关管占空比为66.6%

当时间开关频率非常高的时候在时间T内消耗的热仍然为10T那么流过负载上的电流等效为1A。

实际测试中由于开关管有管压降，滤波电路发热消耗功率，开关管占空比有2%左右的提高在误差允许范围之内。

综上所述电路能够稳定运行，恒定电流。

4.精度分析以及如何提高精度

系统精度误差主要来自于温度漂移和电压采集器件A/D的精度所造成

温度漂移采用大线径低阻值康铜丝制作，康铜丝温度系数（5ppm/c），可使温度影响减到最小。

测量电压和电流采用24位A/D采压芯片为ADS1255

测量负载调整率的时候由于导线上有电阻满载的时候线路上压降大影响电压测量精度，为了降低误差采用较粗的镀锡电源线代替杜邦线降低线路上的压降，提高测试精度。

5.负载调整率的测量

负载调整率又叫电流调整率，为电源稳定输出电压对电源负载负载电流的变化（空载-满载）的调整性。

使用单片机控制D/A先使系统工作在空载状态得到电压U1

再让系统工作在满载状态（电流为1A）得到此时电压U2

得到两次测量的电压差值Ud

那么负载调整率应该为Ud除以空载时得到的电压值U1乘以100%为当前电源的负载调整率

三、电路与程序设计******

程序流程图

键盘模块

液晶显示模块

DAC5616基准源

过压保护模块

AD采样模块

模拟部分电路图

四、测试方案与测试结果

1、主要使用和测量仪器

六位高精度万用表：

型号UT805A

直流稳压电源：

型号KXN-3040D

60MHZ数字示波器UTD2062CE

2、电流设置功能

设定值

200

400

600

800

1000

实际测试值

200.3

398.1

602.2

804.4

1005.8

3、过压保护功能

动作电压

18.1

17.9

17.8

18.2

18.1

4、发挥部分（数字显示电子负载两端电压）500MA条件下

实际值

2.0201

4.016

6.045

8.041

10.023

显示值

1.980

4.105

6.265

8.391

10.503

5、发挥部分（数字显示电子负载流过电流）9V输入条件下

实际值

203

404

605

806

1000

显示值

204

405

605

805

6、发挥部分（负载调整率自动测试功能）

理论值

0.01%

0.5%

5%

10%

15%

测试值

0.01%

1.1%

8.3%

12.4%

17.4%

结果分析：

1．集成运放的误差

我们都是按照理想运放进行分析的，实际上集成运放是非理想的，它的差模电压增益、输入电阻、共模抑制比均不可能无限大。

（1）差模电压增益Avd和差模输入电阻rid为有限值

（2）共模抑制比为有限值

（3）输入失调电压Vio、输入失调电流Iio和输入偏置电流Iib不为零

（4）输入失调电压温漂和输入失调电流温漂的影响

2．电流源的电压的稳定性也会造成一定影响，我们也加了滤波电容来减小这种误差；

3．万能板飞线的影响。

时间仓促，没有时间制作印刷电路板，我们会尽量减小别的误差来弥补工艺的不足。

结束语：

由以上所测得的数据可以看出，用户设定值和实测值之间的误差很小，达到设计要求。

参考文献

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电子工业出版社，2005

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西安电子科技大学出版社，2005

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