一种简易直流电子负载的设计_杨永超

第32卷第2期2014年6月湖北民族学院学报（自然科学版）

JournalofHubeiUniversityforNationalities（NaturalScienceEdition）Vol．32No．2

Jun．2014

一种简易直流电子负载的设计

123

杨永超，谭晓娥，刘晓妤

（1．湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000；

2．湖北民族学院图书馆，湖北恩施445000；3．江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北武汉430035）

12位D/A以及功率摘要：针对电源设备或化学电池的测试需要，以STM32F103单片机为控制核心，外围采用16位A/D、MOSFT设计了一种简易的高精度直流电子负载．测试结果表明，该系统测试时间短、精度高、运行稳定可靠．关键词：直流电子负载；STM32F103；恒流模式；P－MOSFET中图分类号：TP271．5

文献标志码：A

文章编号：1008－8423（2014）02－0203－03

TheDesignofaSimpleDirectCurrentElectronicLoad

YANGYongchao1，TANXiaoe2，LIUXiaoyu3

（1．SchoolofInformationEngineering，HubeiUniversityforNationalities，Enshi445000，China；

2．LibrayofHubeiUniversityforNationalities，Enshi445000，China；

3．OilProductionTechnologyＲesearchInstitute，SINOPECJianghanOilfieldCompany，Wuhan430035，China）

Abstract：Forthesakeoftestingthepowerequipmentsorchemistrybatteries，thispaperdesignsadirectusingtheSTM32F103asMCU，16bitA/Dconverter，12bitcurrentelectronicloadwithhighprecision，

D/AconverterandPower－MOSFETastheothercircuits．Thetestingdataindicatesthatthesystemhasshorttestingtime，highprecisionandreliability．

Keywords：Directcurrentelectronicload；STM32F103；invariantmode；P－MOSFET

UPS、在直流电源设计与制造领域通常要对开关稳压电源、光伏电池、锂电池、镍氢电池及蓄电池等各类电源设备进行负载条件下的动态性能测试，即动态地改变负载状态使其处于恒定电阻、恒定电流以及恒定功率等三种工作模式，以便测试各类直流稳压电源设备的动态特性如负载调整率、输出电流、保护特性等，以及各类化学电池的放电电压、放电电流、放电深度、放电时间等．当前，国内外对电源类产品的试验一般都采用传统的静态有功负载如电阻箱、滑动变阻器等能耗放电的办法进行，所使用的负载设备体积大，不能自动变

［1－2］

．电子负载采用半导体电子器件、参数运行，且最后的测试数据需要另外添加仪器仪表来进行单片机智能控制实现“负载”功能，不仅可以动态模拟真实情况下的负载变化，而且还能够准确地检测出负载两端的

［3－4］

，电压，精确调整负载电流甚至还能够实现模拟负载短路、负载的阻性或容性、容性负载电流上升时间等动态及静态特性参数等测试，极大的提高了电源设备及化学电池的测试效率，这是功率电阻等常规负载形式

所无法实现的．

1

1．1

总体设计及工作原理

总体设计

根据被测电源/电池的测试要求，本文所设计的直流电

A/D及D/A模块、子负载主要由MCU模块、电压/电流检测模块、功率模块、保护电路、通信接口及人机界面等部分

组成，其设计框图如图1所示．1．2

工作原理

被测试的电源设备或电池直接与功率模块相连，功率Fig．1

图1直流电子负载的设计框图

TheDesigndiagramofdirectcurrentelectronicload

收稿日期：2014－05－10．

基金项目：湖北省教育厅B类项目（B2013076）．作者简介：杨永超（1981－），男，硕士，讲师，主要从事电力电子装置与系统、电气设备状态检测方面的研究．

204湖北民族学院学报（自然科学版）第32卷

MCU输出相应的控制模块实质为N沟道增强型大功率MOSFET（TI公司的CSD17505Q5A）．根据测试要求，

量通过12位D/A转换后加至功率MOSFET使其导通，被测电源/电池的输出功率通过功率管的发热来耗散．在测试过程中，系统能够同时采集被测负载当前的输出电压、电流等信息，并直接显示在人机界面的TFT液晶屏上，同时还可以通过ＲS－485接口直接将测试数据上传至上位机，方便工厂生产模式下对批量被测电源设备/电池的测试数据的集中汇总和处理．

测试过程中，系统还能够根据测试要求，设定相应的保护动作电流，通过实时检测输出电流，当流过功率管的输出电流达到设定的动作电流值时，保护电路动作，断开功率负载，从而避免电流过大损坏被测电源设备或电池．

2

2．1

电路设计

MCU的选择

系统采用的MCU为意法半导体公司出品的基于Cotex－M3内核的32位AＲM系列微控制器STM32F103，工作频率可达72MHz．该芯片上集成了最大64KB的SＲAM存储器及512KB的Flash存储器，

USB接口等9个通信接口，并具有丰富的电源管理功能及低功耗模式．此外，还具有CAN总线接口、其综合性能良好，完全能够满足本系统的设计要求．

2．2电压/电流检测电路

1）电压检测电路

被测电源设备/电池的输出电压通过可调电阻分压后送入到运放TL082进行调理．为了使调理后的输出电压与所采用的16位A/D转换芯片输入电压匹配，并在一定程度上避免被测电源噪声的影响、加强系统的抗干扰能力，采用HCNＲ201高线性度光耦进行隔离检测电路原理如图2所示．

［5］

，然后再次利用TL082调理后送入A/D转换．电压

图2电压检测电路

Fig．2Voltagedetectingcircuit

2）电流采样电路

电流检测电路中取样电阻采用0．05Ω的康铜丝，工作过程中，康铜丝两端的差模电压通过高精度、宽共模范围、双向零漂移电流并联监控运放芯片INA282进行调理后送INA282具有高达140dB的共模抑制比入A/D转换．需要指出的是，

以及0．3uV/℃的偏移漂移使得康铜丝两端的差模电压的误差可以忽略不计，进一步保证了测量精度

3）A/D及D/A

［6］

．电流采样电路如图3所示．

A/D转换芯片采用TI公为了进一步保证电压电流的检测精度，

司的16位串行高精度模数转换器ADS1115．该芯片具有高达860SPS的采样速率，内部包含可编程增益放大4个单端或2个差分输入接口，I2C接口及较低的电流消耗．器PGA，低漂移电压基准源，

D/A转换采用TI公司的12位数模转换器TLV5616，SPI、QSPI带有4线串行接口，可无缝连接STM32、和Microwire串行口．输出缓冲是2倍增益Ｒail－to－Ｒail输出放大器，输出放大器为AB类以提高稳定性、减少建立时间．

图3电流采样电路

Fig．3Currentsamplingcircuit

第2期杨永超等：一种简易直流电子负载的设计205

4）功率模块驱动电路

“负载”在测试过程中，往往需要保持恒流输出模式，设计中通过引入负反馈来控制P－MOSFET的导通

程度去控制测试电流并使其保持恒定．控制电路如图4U2A（LM358）为跟随控制，U2B（LM358）为所示，图中，

同相放大作为电流反馈．为了避免运放产生自激振荡，在U2A的1、2脚之间并接103瓷片电容降低增益进行补偿，最终在功率管上可以保持电流恒定．采用线性控制方式的电子负载，被测电源或电池输出的能量全部损耗在功率管上，一般还需增加辅助散热．CSD17505Q5A是TI公司的生产的N沟道功率措施

MOSFET，ＲDS（on）=3．7mΩ的典型具有VGS（th）=1．3V，

VGS=6．0V的情况下能达到10A值，且在VDS=0．03V、的电流，能够达到设计要求．设计过程中，散热器选用铝

型材XC766系列，根据厂家提供的散热器包络体积－热

3阻曲线图，最终采用了包络体积为173．4cm的XC766散热铝片与风扇辅助散热．

5）ＲS－485通信模块

［7－8］

图4功率模块驱动电路

Fig．4Powermoduledrivingcircuit

ＲS－485通信模块使用美信公司的MAX487芯片，并通过光耦HCPL－0601与MCU相连，在实现电平转换的同时，还可以防止通信电路带来的干扰进入其他电路，提高直流电子负载的可靠性．

3软件设计

根据硬件电路的设计原理，软件部分主要实现电压、电流采样，过电压/电流保护、触摸屏的设置和显示、上位机通信等功能．为了保证输出电流的高度稳定，程序并实现了PID调节参数的自整定，系统的软件流程设计时引入了PID控制功能，如图5所示．

运行过程中，对负载电流进行调整时采用PID控制实现，提高了电流控制的

实验过程中，通过不断调整与测试，精度．其PID参数通过不断实验进行自整定，

得到了一组适合于本系统设计要求的PID参数，并通过初始化进行了预设．此外，

在实际高精度测量中，也可以通过重新整定及更新PID参数，使系统的控制精度及调整时间更加理想．

图5软件流程

Fig．5Softwareflowchart

4实验测试

根据上述软硬件设计过程，制作了一台样机，如图6所示．实验过程中，采用的测试仪器主要有DM3061高精度台

APS3003S－3D高精度直流稳压电源、UT56手持万式万用表、用表等设备．

在不同的工作模式下对所制作的直流电子负载进行了一

系列测试，相关的测试数据如表1、表2所示．表1、表2的测试结果表明，恒流模式下电流相对误差优于3%，恒压模式下对电压的测量相对误差更是达到了0．1%以下，调节时间小于1s．且测试过程中，系统工作稳定可靠，在电压电流异常情况下，能够可靠的断开测试回路，保障被测电源设备及系统本身的工作安全．

（下转第221页）

图6实物样机

Fig．6Theactualprototype

第2期胡圣荣：希尔排序效率的真实性拟合尝试221

［2－3］

个测试序列不像本文这样稳定（即使增量类似，但Pratt序列除外，对其拟合时很稳定并能得到理论值cnln2（n）［3］，数据略）．当然，也可能出现几个拟合式都较稳定如何分辨的问题．另一个要做的工作是对稳定

拟合结果的理论证明．参考文献：

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责任编辑：时凌

（上接第205页）

5结语

设定电

流/mA01520010004000

表1恒流模式下的测试数据

Tab．1Testingdataofconstantcurrentmode

0．8

不同电压（V）下的实测电流/mA

2510

15

本文所述的简易小功率直流电子负

成本较为经济，功能载的设计方案简单，

丰富，界面友好，电压测试设定范围为0

～20V，电压分辨率为0．5mV，电流测试设定范围0～4000mA，分辨率2mA．测试过程中，根据不同的测试要求，其工作模式可分别设定为恒压模式、恒流模式

各种模式下工作稳定可及恒功率模式，

靠，测试时间短，且在各种不同的工况下

测试数据的精度非常高，能够很好地适应各种电源设备或化学电池的测试需要．参考文献：

0．0000000．0000000．0000000．0000000．00000014．9743414．8298014．8968614．9188414．87204198．0208198．0411199．0203199．0062198．2482998．9502998．9344999．8585998．9406998．94833998．6543999．062

3998．758

3998．647

3998．924

表2恒压模式下的测试数据

Tab．2Testingdataofconstantvoltagemode

设定电源电压/V

1481218

01000．23999．78000．112000．518000．4

不同电流（mA）下的实测电压/mV1005001000999．93999．68000．411999．918000．1

999．73999．88000．111999．817999．8

1000．24000．17999．312000．317999．6

4000999．53999．77999．211998．617998．5

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责任编辑：时凌