直流电子负载的研究＊

宋 滨

（青岛科技大学，山东 青岛 266042）

当前，国内外对电源类产品的实验一般都采用传统的静态负载（如电阻、电阻箱、滑线变阻器等）能耗放电的办法进行，使用的设备体积大，调整不方便，不能自动变参数运行。测试数据需要另外添加仪器仪表来进行。而电子负载用电子器件、智能控制实现“负载”功能。电子负载不仅可以模拟真实环境中的负载，还能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路、负载的阻性或容性、容性负载电流上升时间等，极大的提高了电源设备的测试效率，这是电阻等负载形式所无法实现的。直流电子负载主要用于直流发电装置（光伏电池等）、蓄电池等电源的研发与制造中。

1 直流电子负载工作原理

直流电子负载的工作原理见图1方框图所示，图中虚线框中即为电子负载。对不同的工作模式采样参数和输出控制参数不同，本文分别予以分析。

图1 电子负载工作原理方框图

1.1 定电流模式

定电流模式的电路连接图与负载特性图见图2的（a）与（b）。

图2 定电流模式的电路连接图与负载特性

定电流模式对负载电流I进行采样，与给定电流值进行比较，控制电子负载的导通程度，以保持负载电流恒定，与输入电压大小无关。若被测输入电压为8V，由设定电流100mA，则当调节被测电压为10mV，取样电阻R1为0.1Ω时，负载上的电流值应维持在100mA不变，而此时电子负载的电阻值是可变的。

1.2 定电压模式

图3 定电压模式电子负载与电源的连接与外特性

定电压模式的电路连接图与负载特性图见图3的（a）与（b）。在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即对负载电压值进行采样，与给定电压值进行比较，控制电子负载的导通程度，以保持负载电压恒定。该电路中运放引入电压串联负反馈。当给定值为1.2V时恒压值为2.4V。

恒压：U0＝UREF（1＋R1／R3）

1.3 定电阻模式

定电阻模式的电路连接图与负载特性图见图4的（a）与（b）。

图4 定电阻模式电子负载与电源的连接与外特性

在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压成正比例，比值就是所设定的恒电阻。其电压和电流值的采样是同时进行的，并根据测得的电压值控制电子负载的电流。若负载设定为10Ω，当输入电压在1～10V变化时，电流变化则为100mA～1A。同时恒阻可调节，在恒流电路的基础上，检测出输入电压，由单片机计算应流出电流，并转换为VRE输入到电路中，实现恒阻功能。

2 直流电子负载电路设计

2.1 单片机控制器

采用51系列单片机担任控制器。单片机部分包括键盘、LCD液晶显示器、串行EEPROM、集成温度传感器DS18B20、时钟芯片DS1302。电路图见图5，键盘模块接单片机P2口，图中没有画出。单片机采用宏晶8051系列单片机STC12C5A60S2。

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2.2 A／D、D／A模块

根据精度要求选择A／D、D／A模块。本实例中根据笔者手头现有的芯片，A／D模块选用AD7705，D／A模块选用TLC5638。

A／D转换采用16位A／D转换器AD7705，AD7705是双通道全差分模拟输入。当电源电压为5V、基准电压为2.5V时，可将输入信号范围从0～＋20mV到0～＋2.5V的信号进行处理。还可处理±20mV～±2.5V的双极性输入信号。因此，AD7705可以实现2通道系统所有信号的调理和转换。

图5 单片机控制电路

TLV5638是TI公司的12位D／A转换器，具有两个输出通道，数据传输接口为3线的串行接口，该接口能够与常用的微控制器或者微处理器直接相连。每次传输数据由16位的数据组成一帧，其中4位控制命令字，12位输出数据。性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口简便。供电电源：2.7V～5.5VDC。

2.3 电子负载与信号采样电路

恒流恒阻电路图见图6，恒压电路图见图7。图中，MOSFET是负载调整管。I与V分别是负载电流采样与负载电压采样信号。

图6 恒流恒阻电路图

图7 恒压电路图

2.3.1 负载调整管的选择

对于直流电子负载，选择管子的时候，首先要考虑管子的极限参数，即击穿电压V（BR）DSS、最大电流ID和最大耗散功率PD应能满足电路长期安全工作的需要。为获得较好的电气性能，要选用阈值电压VGS（th）低，漏源导通电阻RDS（on）小，跨导gfs大的管子。本文选用IRFB4310型场效应管，其击穿电压 V（BR）DSS≤100V、最大电流ID≤140A和最大耗散功率PD≤330W，阈值电压 VGS（th）≈3V，漏源导通电阻 RDS（on）≈5.6mΩ，跨导gfs≥160S，用于低压直流场合完全适用。当需要更大的负载电流时，可以使用多个FET管并联工作。

2.3.2 驱动电路

D／A转换器的输出电压，要经放大以后，才能驱动FET工作。运算放大器U1和U2担任驱动。

2.3.3 采样电路

根据工作方式不同，要对不同的电路参数采样。采样电路所获的信号，要经过调理，使之满足AD转换模块的需要。

R8是电流采样电阻。R8上的电压经U3放大后，送A／D转换器。R7和R9组成分压器，对负载电压进行采样，其输出送另一路AD转换器。

3 系统测试

3.1 测试数据

测量电路见图8、图9。

图8 恒压测量电路

图9 恒流测量电路

对电路恒压模式的检测数据见表1，测量原理见图8恒压测量电路，实际电路见图7恒压电路，其中VREF为运放反相输入端。

表1 电路恒压模式检测数据

对电路恒流模式的检测数据见表2，测量原理见图9恒流测量电路，实际电路见图6恒流电路图，其中VREF为运放同相输入端。

表2 电路恒流模式的检测数据（R采样＝0.1Ω）

对电路恒阻模式的检测数据见表3，检测原理图见图9恒流测量电路，实际电路见图6恒流电路，其中VREF为运放同相输入端。

表3 电路恒阻模式的检测数据（R采样＝0.1Ω）

3.2 测试结果分析

由实际测试结果分析，系统工作稳定可靠，在额定工作条件下，精度较高。电流的输出范围为0.1A-2A，相对误差小于5%，调节时间0.6～0.8s；电压输出范围为1-20V，相对误差小于5%，调节时间小于3s。恒阻模式时，测量精度为3%。因此本方案较好完成了题目的要求。

4 结论

本直流电子负载采用单片机控制，可以实现智能控制；能够实现恒流、恒压、恒阻模式的的正常工作；能够直接检测被测电源的电流、电压及功率值，各个参数都能直观的在液晶屏上显示；采用无线遥控控制，操作简单。

电压设置及调节范围：1.00-20.0V，相对误差小于5%，调节时间小于3s。

电流设置及调节范围：100mA-2.00A，相对误差小于5%，调节时间小于3s。

经过大量的调试、测试本系统能够满足预定的设计要求。

需要说明的是，由于采用了手头现有的元件进行实验，所选元件并不一定是最经济、最合适的选择，但肯定是安全的。

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