高精度直流电子负载的设计与实现

邹家奇

(海军驻无锡地区军事代表室,江苏 无锡 214061)

在电源、电池、充电器等功率类电子产品的测试中,通常需要使用负载来测试产品的带负载能力[1]。采用电阻、电容、电感及其组合形式来模拟负载占用空间较大，且精度较差、形式单一、其负载大小不能调节[2]。在实际测试中,负载会随着时间、频率及外界因素不断变化,因而静态负载并不能完全替代实际负载进行测试[3]。直流电子负载是利用大功率半导体器件把进入电子负载的电能转换成热能或传送给电网,它既能模拟恒定电流、恒定电压和恒定电阻等多种实际负载,也可模拟特殊负载波形,并且因其体积小、功耗低、阻值可调范围大等优点广泛应用于电源类产品的稳态特性和瞬态特性及其他功率电子元器件的测试、老化和分析等环节中[4-5]。

随着电子技术的发展,各类电子类产品指标性能逐渐提高,对电子负载的性能提出了更加严格的要求,特别是在恒定电压和恒定电流方面的技术指标要求越来越高[6]。恒流源一般采用精密并联型三端可调基准电压源来替代稳压管的作用,但因该元件构成的恒流源输出电流不可调，且数值较小、范围较窄、精度不高以及与可调电阻呈非线性关系,导致电子负载在电流精细调节和量程扩展方面存在诸多问题,其响应速度较慢、精度不高、动态负载测试功能不完善及其稳定性较差成了电子负载技术中的主要问题[7-9]。针对以上这些问题,通过采用高精度电子器件及合理的电路板布线方法,提出了提高输出电流精度的设计方法,实现了一款新型的高精度、转换速度快并且具有过压保护及自动测量功能的直流电子负载。

1 系统结构

系统主要由恒流源电路、取样电路及控制电路所组成。控制电路以MSP430单片机为核心,主要进行电压和电流采样,并通过与设定参数值对比,得出系统误差,再通过控制算法找出合适的控制信号。通过控制12 位精密串行输入数模转换器DAC7611输出电压控制信号,控制信号经过调整后,通过功率管的基极电压,将其模拟成负载使用。由于DAC的输出电压值的大小决定了MODFET功率电路中的负载电流大小,从而达到了对电子负载输出电流的大小控制。同时处理器还控制双通道差分16位Σ-Δ型模数转换器AD7705采集输出电压和电流大小,既实现了电子负载恒流工作模式的电流设定以及电压、电流的测量显示,又能进行过压保护和对负载调整率自动的测量。恒流源电路中,处理器输出的控制电压信号经误差放大电路转换为MOSFET的栅极电压,实现了驱动该MOSFET管的功能,同时接收反馈信号,进行实时调整输出电流的目的。取样电路中检流电阻采用低温漂的检流电阻进行电流检测,信号经精密低功耗仪器放大器INA128进行信号放大,之后信号与DAC7611的输出电压通过误差放大器AD708进行误差比较并控制恒流源电路中MOSFET输出电流。电压采集采用高精度、低温漂的电阻进行分压,然后通过仪表放大器INA128进行跟随驱动。最后通过AD7705的两个通道对电压和电流信号进行测量,并由单片机控制显示。总体框图如图1所示。

2 主要电路与程序设计

2.1 电压采样电路

系统的输出电流精度、测量精度及系统的稳定性主要取决于取样电阻的精度和漂移,如果使用普通电阻,其温度漂移大于100ppm,在环境温度变化和工作状态不同时,电阻值会产生较大变化,从而影响电流的输出精度和测量精度[10]。同时在电压采样电路中使用普通运算放大器进行信号采集和放大,虽然电路结构和实现方式简单,当电子负载工作电流达到1A以上时,由于运放放大器本身的性能误差,其在不同的工作状态下地回路上将产生较大的电位差,从而影响电流和电压的测量精度[9]。因此系统需采用高精度、低漂移电阻进行信号采集与增益设置,同时采用高增益、高共模抑制比的仪表放大器INA128对采集的电压、电流信号进行放大,从而实现较高的精度、稳定度。电压采样电路电路图如图2所示。图2中,电阻R1和R2为高精度、低温漂电阻,其温度漂移小于10ppm。电路板制作中需注意将R2的接地点与仪表放大器INA128的接地管脚以最短的距离接到电路板的地中,尽可能减小地回路中的电位差。

2.2 电流采样电路与恒流源电路

恒流源电路中,采用N型MOSFET管作为功率器件,DAC7611与高精度、低温漂运算放大器AD780组成其驱动电路,根据MOSFET管转移特性,在恒定的VDS作用下,漏极电流iD将随着栅源极电压VGS的变化产生非线性变化,此时VGS与iD的比值相当于一个可变电阻[11]。根据MOSFET管的转移特性,改变VGS的值就可以调节iD的大小,通过DAC7611输出电压给MOSFET管提供一个门触发电压,从而实现对输出电流的精准控制,其电路图如图3所示。由于N型MOSFET管是一种压控型器件,其温度会随着流经电流的增大而增大,因此务必要在N型MOSFET管上装上散热片[12]。

电流采样电路中,漏极电流经过采样电阻R4转换为相应的采样电压,其电阻两端直接与仪表放大器的同向端和反向端相接。此时应当注意,仪表放大器INA128的输出端与AD7705的VIN+相接,而其参考端REF必须直接接到AD7705的VIN-端,减小回路走线带来的误差。

2.3 程序设计

程序流程图如图4所示,处理器可通过扫描键盘获取用户输入信息。在输入完电流设定值后,按确认键即可输出相应电流。如果按下切断键,则恒流电路与输入电压断开,否则只有在电压超过18V时电路自动切断输入电压。如果按下调整率测量键,则电路将在2s内自动完成负载调整率测量,并且输出结果。

3 性能分析与参数计算

3.1 电流测量计算

由于系统中流经电流采样电阻较大,因此其阻值越小功耗越小,且在不同工作状态下引起的电阻漂移越小,电路稳定性越高。基于以上考虑系统选择0.02Ω/3W的低温漂检流电阻,将0～1A的电流转换为0～0.02V的电压。由于选择了双通道差分16位Σ-Δ型模数转换器AD7705进行电压采集,其输入电压范围为0～2.5V,因此将0～0.02V的电压经过100倍放大,得到0～2V的电压,在满足AD输入范围的同时,可留有一定的裕量,方便进行软件调整和补偿。

3.2 恒流电路原理

精密放大器AD708将转换后的电流信号与DAC7611的输出电压进行误差比较,如DAC7611的输出电压大于采样电流信号值,则会引起AD708输出电压增加,从而引起输出电流的增加,最终使得DAC输出电压等于电流测量信号,实现了实时精确控制。

3.3 电压测量计算

如需电子负载具有过压保护功能,系统设置的保护电压为18V,则需将电路测量电压范围设定为0～20V以上。电压采样电路中采用80K和10K的精密电阻组成串联分压电路,将输入电压转换为原来的1/9。得到0～2.22V的电压,在满足测量范围的同时也保证了一定的裕量。

3.4 电流设置、电压采集精度计算与分析

系统电流设置精度为±1%,系统中选用的12 位精密串行输入数模转换器DAC7611可输出0～2V的电压,该电压值通过误差放大器控制MOSFET管可输出0～1A的电流,并且设置精度可以达到1mA。如需电压测量精度达到±(0.02%+0.02%FS),其分辨率达到了12位以上,因此使用16位的模数转换器可以达到高精度的要求。

3.5 负载调整率的测试原理

按照负载调整率的公式,假设空载时的电源电压为Vnl,额定功率(1A)时的电源电压为Vfl。负载调整率a=(Vnl-Vfl)/Vfl。所以处理器控制负载电流为0A时,测量空载时的电源电压,然后控制负载电流为1A,再测量额定功率时的电源电压,采用上述公式即可测出负载调整率。

4 测试方法与数据分析

电压、电流测量采用安捷伦6位半万用表 Agilent34461A。

4.1 电流测试

电源电压10V,在设置电流的情况下,测量得到实际电流值,测试结果如表1所示。

表1 电流测试

4.2 电流稳定度测试

在设置固定电流的情况下,测量实际电流值在不同的电压下的变化值,测试结果如表2所示。

表2 不同电压下输出电流值

4.3 电压测试

空载情况下,调整电源电压,将电子负载测得的电压与万用表测试值进行比较,测试结果如表3所示。

表3 电压测试

4.4 系统自动测试功能

在10V电源电压下,调整输出电流,并将系统自身显示测得的电流值与实际万用表进行比较,测试结果如表4所示。从表4中可以看到,系统自身测试值与实际测量值误差小于0.1 mA。

表4 系统自身电流测量与实际值对比

4.5 负载调整率测量

系统的负载调整率测试如表5所示。

表5 负载调整率测量

5 结束语

系统通过采用高精度电子器件及合理的电路板布线方法,提出了提高输出电流精度的设计方法,实现了高精度、转换速度快并且具有过压保护及自动测量功能的直流电子负载。同时系统采用数字处理器对取样电流进行实时控制,提高了反应速度,达到了较高精度,并且有较好的动态特性和静态特性。从系统的测试结果分析可以发现,其电流设置范围为100 mA～1000 mA,设置分辨率小于1 mA,设置精度为±0.01%;在恒定电流的情况下,电压变化10 V,电流变化小于变化前电流值的±0.01%;电压测量精度优于±(0.01%+0.01%FS),分辨力小于1 mV。电流测量精度优于±(0.1%+0.1%FS),分辨力小于1 mA;系统还具有负载调整率自动测量功能,测量范围大于0.1%～19.9%,精度优于±1%。另外,系统能够在电压超过18.001 V时断开电源,实现了过压保护。