程控直流电子负载的研究与设计

摘 要：文章为解决在交直流电源的测试中，需要不断的改变负载，传统的滑动电阻器使用不方便且效率较低。利用MSP430F449单片机为控制核心，功率三极管为电子负载控制对象，通过对DA、AD硬件控制与PID软件结合，实现程控直流电子负载和恒流源，提高交直流电源参数测试的效率。

关键词：交直流电源；PID；程控直流电子负载；恒流源

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0003-02

直流电子负载是一种能以手控或程控方式吸收电能的仪器，起到可变电流吸收器、可变电源电阻器或分路电压调节器的作用，当它吸收可变电流时，将维持某一固定电压。系统主要工作于恒压、恒流和恒阻三种工作模式，可用于交直流电源的测试。

1 总体设计方案

整个系统由单片机控制模块、电子负载模块、功率驱动模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。单片机采用MSP430，较之51系列具有I/O口多、内部集成AD模块、低功耗等优点。基本的工作原理是：通过键盘设置功率驱动模块使得电子负载工作在恒流状态下，通过一个0.05 Ω的电阻与3DD15D串联来对电流进行采样。将流过电阻的端电压经过INA282组成的电流采样模块后送到MSP430单片机。采用0.05 Ω的小电阻与3DD15D串联使得电阻的分压减小，从而将系统的误差降到最小。基于单片机的恒流工作模式的直流电子负载原理框图如图1所示。

此方案采用单片机编程控制整个系统，电子负载模块采用晶体三极管3DD15D与取样电阻组成。由OPA2227组成的功率驱动模块通过单片机的控制使得3DD15D工作在一个设定的恒流条件下。通过一个0.05 Ω的电阻与3DD15D串联。将电阻两端的电压经过INA282放大后通过单片机采集，由单片机计算出流过电子负载的电流并经LCD1602显示。将功率器件的端电压经过由OPA2340与OPA2227组成的电压衰减模块后送入单片机进行采集，由单片机计算出功率器件的端电压并送入LCD1602显示。

2 单元电路设计

单元电路设计主要包括以下几个部分。

2.1 电流采样模块

采样电流模块的电路如图2所示。

采样电流模块实现对功率器件3DD15D的端电流的采集，本模块先利用TI公司的INA282芯片对采样电阻R0两端的电压放大50倍，INA282具有精度高的优点（偏移电压±20 μV增益误差为±1.4%，偏移漂移为0.3 μV/℃）。再将放大的电压送入AD转换将根据电阻值与流经电阻的电压值计算出采样电流的大小并送入LCD1602显示。

2.2 电压采样模块

采样电压模块的电路如图3所示。采样电压模块采用OPA2227与OPA2340芯片组成，OPA2227进行两路的输入输出，OPA2227是具有高精度低噪声运算的放大器，采样电压电路中采用的电阻都为精密电阻，使得电路的精度更高从而满足要求的技术指标。OPA2227通过双电源±2.5 ～±18 V数据采集，增益宽带为8 MHz，OPA2340为单电源双路CMOS运放，单电源2.7～5.5 V驱动AD转换器，增益宽带为5.5 MHz。电压采集模块首先通过OPA2340对功率器件3DD15D的端电压进行输入数据的采集，然后对采集到的电压进行输出。输出的电压送入到由OPA2227组成的高精度低噪声运放，通过R2与R4对输出的电压进行1/2衰减，将衰减后的电压送入OPA2227处理后送入单片机模块进行数据的处理并送入LCD1602显示。

2.3 功率驱动部分

功率驱动模块由OPA2227芯片与三极管9014构成。通过键盘按键设置一个恒定的电流（恒流工作模式的电流范围为100～1 000 mA），通过控制三极管的导通情况控制流过电子负载部分的电流，单片机将这个信号传输给OPA2227，由OPA2227和三极管9014组成的功率驱动电路将设定的电流值稳定的出入给电子负载部分，从而使得电子负载部分工作在一个可以由人为设定的一个稳定的电流状态下。

2.4 电子负载及恒流电路部分

电子负载模块电路如图4所示。

电子负载模块由晶体三极管3DD15D和采样电阻R0串联构成。通过单片机控制由OPA2227和三极管9014组成的功率驱动模块从而调节流过电子负载的电流。通过控制三极管的导通情况控制流过电子负载部分的电流，3DD15D的参数为BVCEO=200 V，BVCBO=300 V，PCM=50 W，ICM=5 A，3DD15D的特性使得对电路中的电压具有稳压功能。采样电阻R1是采用0.05 Ω精密贴片电阻，0.05 Ω的电阻使其对电路的分压能力减弱，从而减小了电路中的误差，使得电子负载部分的功耗大大减低，以达到要求的技术指标。

2.5 单片机控制模块与显示部分

单片机是本系统的核心控制部件，它既协调整机工作，又是本系统的数据处理与控制中心。本系统采用MSP430F449单片机为核心，4X4独立矩阵键盘，LCD1602液晶显示。单片机通过A/D，D/A等器件对信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高精度。MSP430系列单片机较之51系列单片机具有计算速度快、I/O端口多、低功耗等特点。

3 单片机软件设计

3.1 软件设计

为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序。液晶显示子程序：显示当前模式，设定输出值及实际端电压电流；键盘处理子程序：模式切换，输出值的设定及步进；数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值；将调整值送入D/A；进行A/D采样。

3.2 主程序的流程图

主程序流程图5所示。

4 测试结果

4.1 高精度大电流稳压电源性能指标测试

+5 V输出稳压电源测试数据如表1所示。

4.2 电子负载电压测试数据

电源电压：万用表测的电源电压为5.087 V，控制系统测得的值为2.510 V。开路状态下测得电流为0，恒流模式下电子负载电流测试数据如表2所示。

5 结 语

恒流工作状态不论输入电压如何变化，流过该电子负载的电流值恒定且可设定。受实验室环境与器材限制，存在一定的误差。设计的以MSP430单片机为控制核心的电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、电压值。负载参数可以设定，且各个数据均能直观的在LCD上显示。

参考文献：

[1] 翟玉文，艾学忠.电子设计与实践[M].北京：中国电路出版社，2005.

[2] 何希才.新型集成电路及其应用实例[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 孙肖子，邓建国.电子设计指南[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 赵良炳.现代电力电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，1995.

[5] 刘树新.现代电力电子技术发展及应用展望[J].电力系统及自动化学报，1994，（3）.