直流电子的系统设计

1整体方案设计

方案的主要任务是利用MCUMSP430F149实时接收控制和显示终端或者上位PC传输的控制命令和数据，启动TLV5618DAC电路产生相应的工作模式所需电压送至电压电流PI调节器，PI调节器的输出信号控制MOSFET驱动电路，使电子负载工作在所设定的模式和所设定的参数状态；单片机通过外接TLV2542ADC电路，完成各个工作模式电压的采样并送至显示终端或者上位PC机界面实时显示；系统具有过压自关断保护电路、过流软件自关断电路、锂电池充电电路保护电路和过压过流报警功能。

2硬件电路设计

2.1硬件总体设计

整个系统主要由单片机控制电路、电压采样电路、电压电流PI调节电路、MOSFET驱动电路、控制和显示终端电路、串口通信电路、系统供电电路和过压过流保护电路组成。其中考虑到系统的便携式和低功耗特性，供电系统采用3.7V可充电锂电池供电，通过CS5171构成的单端初级电感转换器[3]（SEPIC）电路升压到8V，采用三片可调输出DC/DC电源ICLM2596-ADJ转换为±5V和+3.3V给系统供电；电压电流PI调节电路用来控制MOS管的导通量，使其导通角能够在可承受电压范围内，对实测值与给定值的偏差进行比例和积分运算，用以控制调节导通角的增大或缩小达到设定值等于实际值，其中，电压设定值由单片机控制DACTLV5618给定；电压采样电路主要完成电子负载各个工作模式下，待测电源系统输入电压或者MOSFET两端电压的采样；单片机控制电路完成ADC和DAC电路的控制、UART通信控制、控制和显示终端的输入和输出等功能；过压过流保护电路实现待测电源系统的输入电压电流的幅度保护功能和报警功能。

2.2系统电源模块

SEPIC电路用于功率因数校正（PFC）有着独特的优势，由于其前级类似于Boost变换器因此可保证输入电流的连续性并减少EMI而其输出级又类似于反激电路易于实现电气隔离，为此基于SEPIC的PFC电路正受到越来越多的关注[4,5]。电子负载系统由可充电锂电池供电，所以采用由CS5171构成的SEPIC电路升压到8V。LM2596-ADJ是美国国家半导体公司推出的可调输出电压的电源管理单片集成电路，内部集成固定频率发生电路以及频率补偿电路，最大输出电流可达3A，具有功耗小、效率高、过热保护和限流保护功能、很好的线性和负载调节、电路简单等特性[6]。因此采用三片LM2596-ADJ转换为系统所需电压±5V和+3.3V。考虑到系统可充电锂电池的需要，采用拓微的TP4054线性锂离子电池充电IC，充电电压取自USB接口。TP4054是一款采用恒定电流/恒定电压算法的单节锂离子电池充电器，它能够提供800mA的充电电流和一个内部P沟道功率MOSFET和热调节电路，无需隔离二极管或外部电流检测电阻器，因此，基本充电器电路仅需要两个外部元件。

2.3电压电流PI调节电路

PI调节器是一种线性控制器[7]，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为其中，u(t)为PI控制器的输出，e(t)为PI调节器的输入，Kp为比例系数，TI为积分时间常数。电子负载的核心实质是一个电压电流取样PI控制器组成的负反馈控制环路，也是电子负载的功率控制电路，MOSFET在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载。在CC、CR、CP模式下，电流采样电阻RISAM上的电压降通过PI调节器与由单片机控制的TLV5618给定电压设定值比较，控制MOS管的导通与截止，从而达到保持电流恒定的目的。在CV模式下，电压采样电阻RVSAM上的电压通过PI调节器与电压设定值比较，达到系统恒压的目的。电压电流PI调节器电路如图2所示，其中IREF为DACTLV5618给定的电压设定值，IVSAM为电压或者电流采样电阻上的实际电压值。对于本系统经过实际电路调试，为了较快且更加精确的消除误差，取Kp=1.5，TI=RC=2ms。Fig.2PIadjustmentcircuit

2.4串口通信电路

系统采用了一种基于PL2303HX芯片的USB转串口的方法[8]。PL2303HX是Prolific公司推出的USB转RS232接口的转换芯片，能解决RS232全双工异步串行通信与USB功能接口的连接，支持完整的RS232接口，可编程波特率，并可为外部串行口提供电源，且低功耗，低成本。单片机通过使能UART0，并通过交叉开关将TXD和RXD配置在P3.4和P3.5完成与上位PC机的数据和控制命令传输，该USB接口也用于锂电池充电接口。

2.5MOSFET驱动电路

电子负载系统采用场效应管式电子模拟负载，利用场效应晶体管（MOSFET）工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅一源电压控制的可变电阻。用MOSFET作可变电阻具有工作速度快、可靠性高、控制灵敏等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低、寿命长。IRF540为N沟道增强型MOSFET[9]，所以整个设计的技术指标是根据IRF540管的参数进行选定的。由IRF540MOS管的饱和漏源电流Id=30A取整个电子负载设计的电流范围为0~20A，根据锰铜采样电阻的阻值0.25Ω，可算出功率的最大值为100W，故整个设计的功率范围为0~100W。考虑到有时候被测电源电压较大，在漏极-源极击穿电压Vdss=100V的基础上，整个设计的电压范围设为0~30V。

2.6单片机控制电路

单片机控制电路[10]主要实现如下功能：（1）接收控制和显示终端或者上位PC机传输的控制命令和设定参数值，通过计算并控制DACTLV5618给定电压或者电流设定值。TLV5618的端口DIN、SCLK、/CS分别配置在P2.0、P2.1和P2.2，DAC的参考电压由REF3020A给定，最小步进0.5mv。（2）通过配置在P2.3、P2.4和P2.5端口实时控制ADCTLV2542，采样待测电源输入电压或者降在MSOFET两端的电压。ADC的参考电压由REF3020A给定，最小采样分辨率0.5mv。（3）控制和显示终端电路配置在P1、P4、P5端口，单片机主要完成SSD1289控制器的读写控制，从而实现3.2寸TFT+TP液晶屏的触摸按键输入和电子负载系统数据实时显示。（4）通过配置在P3.4、P3.5端口的PL2303USBTOUART接口模块，实现电子负载系统与上位PC机的控制和数据传输。（5）单片机通过端口配置，实现软件过流保护、电池电压检测及过压过流报警功能。

3软件设计

系统的软件部分主要包括单片机控制系统软件设计和上位PC软件界面设计。单片机控制系统部分软件完成：系统初始化（I/O端口、SSD1289和UART初始化）、等待控制和显示终端或者上位PC机命令和数据并处理、启动DAC转换产生电压设定值、启动ADC实时采样降在MOSFET驱动电路上的电压，将采样数据进行实时处理并实时显示或者送到上位机等。单片机控制系统部分软件流程图如图3所示。例如，当用户选择CC模式，并要求设定电流为2.000A时，则单片机通过计算可得采样电阻上的电压应该为0.5V，启动TLV5618产生0.5V的设定电压值到PI调节器，PI调节器的输出控制MOSFET驱动电路工作在CC恒流模式下，并保持电子负载的电流在输入电压可调节范围内保持在2.000A。上位PC机界面采用采用VB实现软件实现，用户通过选择界面上串口配置按钮，打开串行端口；选择相应的电子负载工作模式和设定相应模式下的参数，点击启动按钮即可启动直流电子负载工作，并将采集数据图形显示。实际采集效果如图4所示。

4结论

对于MSP430F149单片机为控制核心，其使用电压采样电路、PI调节电路、MOSFET驱动电路、控制和显示终端、系统供电电路和过压过流保护电路设计便携式智能直流电子负载软硬件系统进行实际测试，具有如下特点：（1）实现了恒定电压（CV）、恒定电流（CC）、恒定电阻（CR）和恒定功率（CP）模式，并具有RS232通信和控制功能；（2）系统数据实时显示、过压过流保护和报警功能；（3）系统输入电压0~30V，电流0~20A，最大输入功率100W，最大负载电阻100Ω，电压电流精度可以控制在0.5%以内；（4）各个模式下系统运行稳定、响应速度快、操作界面友好，方便移植，具有一定的实用价值。

作者：杨本全 陈爱华 马迎 叶锋 单位：台州学院