直流节能回馈型电子负载的设计与实现*

王安帮，陈元枝

（桂林电子科技大学，广西 桂林541004）

随着科技的发展，各种各样的直流电源被大量使用，而这些电源运行的可靠与否直接关系到系统运行的安全性，因此，这些电源出厂前必须要进行可靠性测试（主要是老化实验）[1]。传统电源老化测试一般都是采用水泥电阻能耗放电的办法进行，其缺点是将用于检测的电能完全消耗掉，产生的大量热能不能充分利用，造成大量的能源浪费。为解决这一问题，研制出了直流节能回馈型电子负载[2]。本设计与一般电子负载的区别在于：一方面，它从被试直流电源吸收的电能85%以上回馈到其被试直流电源输入端，不需要并网，从而最大限度地节约了成本；另一方面，由于所采用老化柜能实现大规模同时整体老化，对其被试直流电源进行串并联，可对其不同规格的直流电源同时进行老化，更使其回馈效率增加，从而具有更广阔的应用前景[3]。

1 系统方案设计

1.1 系统整体设计

直流节能回馈型电子负载主要包括：Boost直流升压主电路[4]、过欠压保护电路、AW60单片机控制最小系统、Boost驱动电路[5]以及RS-232通信模块。直流节能回馈型电子负载系统图如图1所示。

图1 直流节能回馈型电子负载系统图

Boost直流升压主电路通过电感储能才能使电压升高，控制MOS管的占空比来控制电路的输出电压、电流，二极管续流，电容稳压。此电路结构简单、动态反应快、转换效率高且不需要隔离，是中小功率的理想电路拓扑。但是在设计时要考虑如何抑制开机瞬间过激电流的缺点。

Boost驱动电路采用电流型PWM控制芯片UC2843，电路中直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接控制PWM脉冲宽度。该控制模式暂态闭环响应较快、控制环易于设计、易于实现限流和过流保护、回路稳定性好、负载响应快且多套系统并联运行时均流效果好。但是容易发生次谐波震荡。

RS-232通信模块主要实现与PC间的通信，系统可通过PC自动设定启动/停止等其他控制动作，能将数据上传至PC，并通过PC来分析和判断当前被测电源的特性，并能将老化完成后生成的老化数据以Excel的文件格式存储，供客户查询或下载。

过压、过流保护电路的功能就是当Boost主电路输入电压、电流达到系统设定的最大电压、电流时，系统通过PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位而断开整个回路，从而达到保护整个系统的目的。

1.2 系统工作原理

本系统工作模式为横流拉载0～15 A，电流大小可通过PC进行独立设置。输入电压范围为5～35 V，单通道输入最大功率为180 W。处理器MC9S08AW60[6]实时采样电流、电压值，经过差模运算后与当前设定值进行比较，从而调节输出的PWM的占空比，控制MOS管的导通时间，从而实现直流节能型回馈电子负载实时数据与设定值相同。通过控制Boost驱动电路和Boost直流升压主电路来达到回馈升压的目的。通过RS-232通信模块来实现友好的人机交互界面。目前大多采用高频有源逆变技术实现老化能量回收利用的电源节能老化技术，但这些产品都是针对特定型号的大功率电源产品而设计的，其功能单一、通用性比较差，无论在控制要求还是产品性价比等方面，都无法适用于二次直流电源的节能老化试验要求。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片的选择

主控芯片采用了Freescale公司的HCS08系列MC9S08AW60的一款高性能的8 bit微控制器。其中4种系统保护功能，电源电压为5 V，内含60 KB的片内在线可编程Flash存储器，带有保护和安全选项，2 KB的片内RAM。在芯片上集成了一个串行外设接口（SPI）模块和两个独立的串行通信接口（SCI）模块，可以方便地与PC及时通信。两个独立的定时器/脉宽调制（TPM）模块，支持传统的输入捕捉、输出比较或已缓冲，对每个通道的脉冲宽度调制（PWM）。即使在各种恶劣环境下，HCS08系列亦达到极佳的EMC性能，它提供了不同的引脚数封装选项及温度范围，该器件适用于电源老化的高温环境。

2.2 Boost主电路

Boost直流升压主电路如图2所示，Boost主电路具有开关直流升压的拓扑结构，C176、C177为滤波电容。

（1）充电过程。在充电过程中，Q23导通，双二极管D18防止电容对地放电，由于输入直流电，因此储能电感L8里储存了一些能量。

（2）放电过程。放电过程中，Q23截止，由于电感电流的保持性，流经L8的电流值会缓慢地由充电完毕时的值变为零。电感L8通过新的电路放电，即给电容两端充电，电容两端电压升高，升压结束。

（3）输出端电容C81、C83、C84、C85、C86、C87、C89提供足够大的容量，可以在放电过程中保持一个持续的电流，为横流拉载[7]提供条件。

2.3 Boost驱动电路

Boost驱动电路以性能良好的UC2843[8]芯片为核心，控制MOS管的开通和关断，从而控制输出电压。UC2843为8脚电流脉宽调制器，其外围充电电路如图3所示，R99、R108、C151组成缓冲器与MOS管并接，使开关管电压力减少，EMI[9]减少，不发生二次击穿。当R118上的电压达到1 V时，UC2843停止工作，MOS管Q29立即关断。由UC2843组成的Boost驱动电路的工作过程如下。

（1）电路工作时，UC2843的引脚7的工作电压由Boost主电路的输入提供。芯片开始工作后，引脚6会输出脉冲信号驱动Boost主电路的MOS管工作，引脚2收到Boost驱动电路经取样电路转化的低压直流反馈信号来判断系统是否正常工作。

图2 Boost升压电路

图3 Boost驱动电路

（2）电路工作正常时，芯片检测电感电流和开关电流信号经引脚2送到芯片内部的高增益误差放大器[10]内，与内部误差放大器的输出进行比较，峰值电感电流随产生的误差信号的变换而变化，改善了线性调整率，从而完成脉冲宽度的调制，最终达到稳压的目的。

从上述的控制过程可以看出，利用UC2843芯片作为控制电路的主元器件形成的电路的优点表现在以下几方面。

（1）将误差放大器和电流测定比较器形成电压外环，利用电流测定和电流测定比较器形成电流内环，用流过输出电感电流的信号与芯片内部的基准电压进行比较，调节驱动信号的占空比，控制脉宽，从而提高系统的稳定性。

（2）引脚3为电流采样输入端，当Boost主电路输出过载或MOS管被击穿采样电路输入端的电流超过最大允许电流值时，UC2843的内部进行自锁定，停止输出脉冲而中断系统工作，大大地提高了系统的安全性能。

（3）UC2842的工作环境温度范围可达-55℃～1 250℃，最高输入电压高达40 V，具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达100%，完全适用于此电路。

3 实验结果与分析

本文设计了一套实验装置，测试的直流电源将采用华为标准1/4砖的PW13QAAC型号二次直流电源模块进行老化实验，直流节能回馈型电子负载8通道[11]同时拉载，电流值分别设定为2 A、5 A、10 A，得到的数据如表1所示。本实验通过RS-232通信可以在上位机显示及设定每组的电流拉载值。

表1 测试数据表

从测试数据可以看出：

（1）该直流节能回馈型电子负载能有效地将85%以上的电能重复利用，大功率长时间的带载老化验证了其可行性与优越性。

（2）该直流节能回馈型电子负载采用输入输出无需隔离，可靠性高，效率达85%以上，电路结构简单，使得体积更小、成本低、易实现，以应用于实际设备中。

（3）该直流节能回馈型电子负载采用Boost结构作为主电路构建起的恒流拉载模式工作效率更高，足以满足预期的要求。

（4）该直流节能回馈型电子负载可大规模同时老化不同型号的二次直流电源，应用前景广阔。

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