基于Boost升压电路的直流电子负载设计

张林仙，刘 刚，邓彬伟

(湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

在实际生产中，电源类产品在出厂之前均需要进行性能测试，而运用负载对其测试已经成了当今电源类产品出厂测试的主流。传统的测试一般用模拟负载来代替实际负载，如电阻、电阻箱以及带感性和容性等可调装置来检测电源。但是因为模拟负载有体积大、精度差、响应速度慢、调节困难等缺点而未被广泛使用。因此，设计一种针对电源产品测试的装置——电子负载［1］具有现实意义。

电子负载主要是依靠电子元件吸收并消耗电能，市场上主要有2 种方案。一种是用三极管或者MOS 管等半导体器件经过级联来实现电子负载的功能，这种方案体积小、效率高、成本低，但是所能提供的电流功率较低，只能应用于一些小功率或者要求不高的场合中;另一种就是采用双极晶体管或者场效应管为载体，调节晶体管的导通程度，等效于调节晶体管的等效阻值，使晶体管处于线性工作模式［2］，这种方式的电路能够提供较大的电流，能应用于大功率场合中，精度较高，在市场上占有较大份额。但是由于这种方式的晶体管始终处于工作模式状态，大大降低了晶体管的开关寿命，而且晶体管长时间工作导致发热量大，电路的效率较低。

本设计直流电子负载用Boost 电路作为电子负载的主电路，通过控制MOS 管的开通时间，使电路工作在恒压、恒流、恒阻、恒功率等不同的模式下。此方式电路结构相对简单，易于控制，精度高，MOS 管工作于开关状态使MOS 管发热不高，电路效率高，最主要的优点是Boost 电路在输入电压较低时仍能够得到较高的电压及电流，使得系统可测量电源的电压范围大，应用前景广。

1 系统方案设计

1.1 系统总体设计

设计的电子负载主要包含以下几个模块:电压电流采集模块、声光报警模块、Boost 主电路、320* 240 彩色液晶显示、按键输入人机交互模块、串口及USB2.0 通信模块、SD 卡存储模块。直流电子负载总结构图如图1所示。

图1 直流电子负载总结构图

1)Boost 主电路模块通过控制MOS 管的开通时间来控制电路的输出电压、电流。此电路的主要优点是，待测电源输入电压较低时仍能够得到较高的电压及电流，使系统可测量电源的电压范围大。

2)电压、电流检测模块，用来采集被测输入电压和电流。电流检测选用INA282，经过16 位AD 采样，AD 转换芯片采用TI 公司的ADS1115 高速16 位AD，其接口为IIC 接口，可直接与STM32F107 外设的IIC 接口连接，采样精度高，占用资源少。

3)串口及USB2.0 通信模块，主要实现系统与外界通信的功能，将数据通过串口上传至上位机，通过上位机来分析当前被测电源的性能。同时也可以将数据通过USB2.0 存至U盘等移动存储设备中。SD 卡存储模块主要用于存储运行模式参数，方便掉电后再上电时能够恢复原来的状态。同时在没有大容量存储设备或者上位机的情况下，仍然能够将大量的采集数据存储下来。

4)4* 4 键盘及320* 240 彩色液晶屏用于输入设定值等相关信息和显示当前电压、电流等参数信息。

5)高频开关电源由于其体积小、带负载能力强而被广泛地应用于生活、生产中，在市场上占有大量的份额，但是高频开关电源往往会产生较大的纹波，这样会影响电压、电流采样的精度。本设计采用工频变压器，传统的工频供电方式输出电压纹波非常小，对AD 采样造成的影响在允许的范围内。

6)过压、过流保护模块，当Boost 输入电压、电流达到系统所能够承受的电压、电流时，系统通过控制继电器断开整个回路，从而达到保护整个系统装置的目的。

1.2 系统工作原理

本系统有恒压、恒流、恒阻、恒功率、开路5种工作模式。系统通过按键和彩色液晶显示屏显示的信息选择工作模式，并设定相关值。处理器STM32F107 实时采样电压、电流等信息，经过一定的运算后与当前设定值进行比较，通过内部的增量式PID 控制算法，调节输出的PWM 占空比，控制MOS 管的导通时间，从而实现使负载运行的数据与设定值相同。同时，液晶显示屏上不断地更新显示的数据，并可通过按键选择将数据通过USB2.0 或串口传送出去。

2 系统硬件设计

2.1 中央处理器的选择

系统采用意法半导体的STM32F107，此款芯片是基于Cortex－M3 内核的32 位微处理器，片上最高工作频率可达72 MHz，内置SPI、IIC、USATR、USB 等外设接口。每组含有16 个IO 口，方便的彩色液晶屏操作，完全满足系统的要求。

2.2 Boost 升压电路

Boost 升压斩波电路如图2所示。由于Boost 升压斩波电路电感的特殊位置，使得Boost升压斩波电路在电源输出端口的电流变得连续［3］，这为恒流负载的应用提供了可行的方案。

图2 Boost 升压斩波电路

2.3 电压、电流采样电路

电压、电流采样电路如图3所示。电流采样采用INA282，INA282 是一款高精度的电流分流监控器，按图3所示连接电路，INA282 输出的电压等于0.1 Ω 精密电阻两端电压的50 倍。电压经过电阻分压后转化为AD 适用的输入电压。AD 转换芯片采用ADS1115，ADS1115 是一款高速的16 位模数转化器，此款AD 采用内部基准电压，且基准电压可编程选择±4.096 V、±2.048 V、±1.024 V、±0.524 V、±0.256 V，在处理器运算时可以直接移位运算，使得采样计算能达到较高的精度。

图3 电压、电流采样电路图

2.4 过压、过流保护电路

系统在运行过程中，当输入电压、电流过高时，系统输入端断开，使其处于开路状态，其结构原理图如图4所示。在开路状态，系统仍对待测电源的电压进行检测，同时会有声光报警提示。

图4 电压、电流保护电路

3 系统软件设计

3.1 程序设计

在本设计方案中，PID 算法实现PWM 闭环控制，并实时扫描矩阵键盘来获得外界控制信息。液晶显示也设计为实时工作方式。在处理数据过程中，采用的是加权算法。系统程序流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

3.2 PID 控制算法

系统采用PID 控制算法［4］，其表达式如下:

u(k)=Ae(k)+Be(k－1)+Ce(k－2)。

传统的PID 控制算法表达式为:

u(k)=kp(e(k)－e(k－1))+kie(k)+kd(e(k)－2e(k－1)+e(k－2))。

本设计的PID 控制算法与传统的PID 控制算法相比有以下几点优势:

1)处理器运算量小，计算机输出控制增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法消除。

2)算式不需要累加，控制增量的确定仅与最近k 次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而得到比较好的控制效果［5］。

3)抗干扰性强。切换模式时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。

4 测试结果与分析

4.1 测试用仪器清单

4 位半数字万用表:VICTOR 公司VC9205型;60 MHz 数字存储示波器:Tektronix 公司TDS1002 型;直流供电电源:CALTEK 公司CA173050 型;1 Ω 和0.1 Ω 的功率电阻若干。

4.2 测试数据

4.2.1 电流测试数据

设定电流从0～1 000 mA 变化时，电压、电流显示值和实际电压、电流测试数据如表1所示。

表1 电压、电流显示值和实际电压、电流测试数据

4.2.2 恒流工作模式测试数据

当直流电源输出电压在7.5～17.5 V 变化时，恒流工作模式测试数据如表2所示。

表2 恒流工作模式测试数据

4.2.3 恒压工作模式测试数据

当直流电源输出电流在100～1 000 mA变化时，恒压工作模式测试数据如表3所示。

表3 恒压工作模式测试数据

4.2.4 过压保护测试数据

在不同给定电流时，过压保护测试数据如表4所示。

表4 过压保护测试数据

4.3 结果与分析

通过实验测试，直流电子负载设置分辨率为10 mA、10 mV、0.1 Ω、0.1 W，显示精度达1 mA、1 mV、0.01 Ω、0.01 W，直流电子负载具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为0.1%～19.9%，被测电压可测范围为0～30 V，测量精度为±1%。串口、USB2.0 通信接口与上位机、USB 大容量存储设备正常通信。所设计的直流电子负载能够满足预期的要求。我们还发现利用Boost 结构搭建的恒流电子负载的工作效率远比其他方式高。虽然开关管的工作产生了噪声干扰，但我们通过对Boost电路参数的精确分析选定，已经将噪声干扰降得很低，完全能满足测量的精度要求。

［1］蒋益飞，周杏鹏.基于STM32 直流电子负载的设计与实现［J］.仪器仪表用户，2012，19(3):68－70.

［2］宋亚明.浅析现代电子负载系统方案设计［J］.信息科技，2011(4):211.

［3］Pekik A Dahono，Slamet Riyadi，Ahmad Mudawari，et al.Output ripple analysis of multiphase DC－DC converters［C］.IEEE Power Electronics and Drive Systems Conf.，Hongkong，China，1999:626－631.

［4］路通达，谌海云，冯庆华.一些先进PID 控制方法比较［J］.仪器仪表用户，2007(5):99－100.

［5］张锦明，杨磊，潘攀.基于“有限”搜索范围的距离加权算法研究［J］.测绘科学，2010，35(6):117－119.