高稳定度恒流负载的设计与实现

崔　琼，张安堂，陈天峰，王　莎

(空军工程大学防空反导学院，陕西西安　710051)

0　引言

电源在电子设备中发挥着举足轻重的作用，其损坏将直接造成设备停止正常运行，因此需要对其进行严格的考核。传统的电源考核方式带电阻、电感、电容等元器件，测试方法粗略、不可调节，且不同等级的电源需要不同的带载测试，不仅需要大量元器件，同时需要消耗大量人力物力对这些器件进行管理，存在着较大弊端。

在电源测试过程中使用恒流负载，相比传统静态负载，能够更好模拟复杂多变的真实负载。因此，文中提出作为交直流电源的恒流负载设计方案，实现模拟各种负载电特性，使测试设定简单且参数可调，得到输出电流与被测电源电压波形和相位一致，具有较高稳定性和可靠性。

1　基本组成及工作原理

直流恒流电路实现比较容易，难点是交流恒流电路的实现。由于一般的电子器件正常工作时其工作电流均为单向，供电电压为固定极性，要实现交流恒流需要一对互补输出管，其实现电路比较复杂。若要采用单管实现交流恒流输出，需首先将双向交流电变为单相交流电，采用桥式整流电路即可实现，如图1所示。

图1　交流恒流实现模型

实现交流恒流需要一个幅度不变的交流基准，这将是此系统的难点。具体的电路组成结构图如图2所示。电路主要组成部分包括交流基准和直流基准产生电路、恒流大小控制电路和恒流源输出电路。

图2　电路组成结构图

(1)交流基准电压产生电路：当输入为交流电压时，通过对整流后的电压进行取样，此电压作为交流恒压基准产生电路的输入电压。通过对输出的恒压基准电压进行交流滤波、取样，然后与固定直流基准进行比较放大去控制线性增益调整环节的增益，从而输出幅度稳定的交流基准电压，并保证了输出的电压波形与输入的电压波形(形状和相位)保持一致。

(2)直流电压基准：当输入为直流电压时，选择直流电压基准，由直流集成稳压器产生。

(3)交、直流转换控制：电路工作时，根据输入的电压特性来选择用直流基准还是交流基准。

(4)恒流大小控制电路：直流基准电压和交流基准电压通过交、直流转换控制进入基准幅度调节电路，即恒流大小控制电路，去控制输出恒流电流的大小。 通过可调直流电压或单片机控制基准电压的幅度。

(5)功率恒流源电路：由运放和功率管组成。

1．1直流基准

电路中主要利用三端分压基准源TL431来产生一个稳定的直流电压。TL431可设置到从2．5～36 V范围内任意值的输出电压，该电路利用它来产生2．5 V的直流电压基准。

如图3所示，由R16、IC5、C8、C9组成2．5 V基准产生电路。此外，2．5 V的直流电压基准通过R15、R14分压可作为交流基准电压产生电路的直流基准电压(约为1．25 V)。

1．2交流基准

如图3所示，交流基准是利用负反馈稳压电路来产生，通过与直流基准的比较放大，使得整流后的电压能够稳定在一定的幅度上。为防止输入电压过大，电路中用R1和R2分压后作为交流基准电路的输入电压，输入电压与反馈调整电压相乘后，再经过IC2A放大产生交流基准VACref．

负反馈电路原理如下：交流基准输出VACref经R10、C2、C3滤波，再经过同相跟随器IC2B隔离后输出，然后经R10、RW1衰减分压后，送比较放大器IC3的反相端输入，与正相端1．25 V直流参考电压进行比较放大，并将其输出作为反馈控制电压，通过乘法器IC1B(MLT04)对输入的交流电压进行幅度调节。反馈电路中，IC3的输出电压中会含有一些无用的交流成分，通过C4、C5和R12滤除。

通过上述负反馈调整电路，产生与输入电压波形相同、相位一致的交流电压基准。

图3　交流基准电路

1．3恒流大小控制部分

如图4所示，直流基准电压和交流基准电压通过S1进行选择，基准幅度调节电路由乘法器IC1A组成，通过RW2改变输入到乘法器输入端直流电压大小，从而改变交、直流基准电压的幅度，去控制输出恒流电流的大小。

图4　恒流大小控制及恒流输出电路

1．4恒流源输出部分

如图4所示，这部分电路由运算放大器IC4和VMOS管组成典型的恒流源电路，使流过功率管的电流仅与基准电压有关，从而产生幅度一定的交、直流电流。功率管采用VMOSFET(IRF250)，允许的最大电流为25 A，最大电压200 V，若要输入电压、电流的变化范围更大一些，可选择其他型号的功率三极管、VMOS管或IGBT管。

2　样机测试

综合以上设计方案和原理电路，制作了可用于实际电源测试的样机。

在对样机进行实测之前，首先应提出性能指标，并搭建测试平台，然后按照预先设定的测试方法，对样机进行测试。

2．1性能指标与测试平台

根据设计目的，交直流恒流负载应做到在电源电压变化时，电流的幅度可恒定在可调范围内任意给定值上，且电流与电压波形一致，并具有较高稳定度。综上考虑，应满足以下性能指标：

表1　性能指标要求

2．2测试方法与结果

测试稳定度时，交流档和直流档采用相同的测试方法。即给定输入电压下，调整RW2旋钮大小，记录电流值，然后在不同的输入电压下，测量输出的交、直流电流的大小变化，多次调整RW2旋钮大小，重复上述过程。通过计算可得到稳定度指标。

测试交流恒流的波形时，改变输入交流电压的频率和大小，通过示波器观察输出电流的波形及相关参数，并进行相应分析。

2．2．1直流档测试

Step1：将开关置于直流档，调整面板上的旋钮并观察旋钮表盘上的读数，使输出电流分别稳定在0．5 A、1 A、2 A、3 A；

Step2：在Step1四种情况下，分别将输入电压调整为4 V、15 V、30 V，待电流稳定，记录测量电流的大小。

测试结果如表2所示。

表2　直流档时输出电流测量

2．2．2交流档测试

Step1：同直流档；

Step2：在每种情况下，分别将输入电压有效值调整为9 V、18 V，待读数稳定后，记录电流有效值，结果如表3所示。

表3　交流档时输出电流的有效值测量

2.2.3输出电流波形

为观察输出电流的波形。通过电流互感器将输出电流转换为电压，然后在输入电压有效值分别为9 V、18 V两种情况下，用示波器进行观察互感器输出电压波形，得到图5和图6。

图5　9 V时输出电流的波形

图6　18 V时输出电流的波形

分析图5和图6，明显地观察到波形中出现了交越失真。经对比，输入电压为18 V时的交越失真程度比输入电压为9 V时的小。出现交越失真的原因是电路的输入电压是经过全波整流后才输入到电路中的，整流器中的导通管压降造成了交越失真。

总的来说，输出电流与输入电压波形和相位的基本一致，实现了真正阻性负载，在一般工程应用中，认为测试结果有效。接下来的设计，应考虑通过同步整流等方法，消除或减小交越失真。

3　实验结果分析

经测试，交直流恒流负载可同时满足交流电源和直流电源的测试要求。测试电源时不必考虑极性问题，且输入端口为交、直流共用，使用时一键切换即可。当输入为交流电时，其产生的电流波形与输入电压波形形状相同，且相位一致，实现真正意义上阻性负载的要求。这是该设计的难点，同时也是创新点。此外，该设计具有以下优点：

(1)恒流精度高、稳定性好。当输入电压大范围变化时，实测直流恒流电流的稳定度接近100%，交流恒流电流的稳定度为99．8%；

(2)允许输入电压变化范围宽，理论上(不考虑电路中功率整流桥的导通电压)可从0 V开始使用，实测最低电压约为2．5 V．设计上限峰值电压为200 V，可满足对常用电源的测试要求；

(3)恒流电流范围宽。由于功率管采用VMOSFET(IRF250)，其允许的最大电流为25A，当散热条件良好，其恒流电流理论上接近25A．考虑到实际需求及功率管的安全问题，设计最大电流限制为5A；

(4)预留了控制接口，方便引入单片机控制。即将单片机控制数据经D/A转换器，后控制恒流电流的大小，同时将恒流电流采样后的数据，经过A/D转换，反馈给单片机，实现闭环控制，从而实现真正意义上的智能化交、直流恒流负载；

(5)使用方便，长期通电试验，其性能良好。

但从上述波形(图6、图7)中可以明显的观察到交越失真，这是桥式整流后不可避免的结果，因此还需要对该设计进行进一步的修改。

4　结束语

设计的难点和创新点是交流电源输入时的恒流设计，产生与测试交流电源电压波形和相位都一致的恒流用交流恒压基准，且交、直流输入为同一输入接口，方便了使用，并大大提高了系统的可靠性。经实验测试，设计基本达到目标要求，且在某些测试参数上超过预期，具有高稳定度的特点，且整体电路简单，控制和测试均比较容易。但在消除交越失真以及单片机控制方面，还有待改进。

该设计方案已做出样机，经测试试验，可用于工程实际中对交、直流电源功能和指标的测试，特别是在电源电流保护点的精确测试、整机老化试验等方面发挥重要作用，具有重要的理论意义及应用价值。

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