直流電子負載的研究＊

宋 濱

（青島科技大學，山東 青島 266042）

當前，國內外對電源類產品的實驗一般都采用傳統的靜態負載（如電阻、電阻箱、滑線變阻器等）能耗放電的辦法進行，使用的設備體積大，調整不方便，不能自動變參數運行。測試數據需要另外添加儀器儀表來進行。而電子負載用電子器件、智能控制實現“負載”功能。電子負載不僅可以模擬真實環境中的負載，還能夠準確檢測出負載電壓，精確調整負載電流，同時可以實現模擬負載短路、負載的阻性或容性、容性負載電流上升時間等，極大的提高了電源設備的測試效率，這是電阻等負載形式所無法實現的。直流電子負載主要用于直流發電裝置（光伏電池等）、蓄電池等電源的研發與制造中。

1 直流電子負載工作原理

直流電子負載的工作原理見圖1方框圖所示，圖中虛線框中即為電子負載。對不同的工作模式采樣參數和輸出控制參數不同，本文分別予以分析。

圖1 電子負載工作原理方框圖

1.1 定電流模式

定電流模式的電路連接圖與負載特性圖見圖2的（a）與（b）。

圖2 定電流模式的電路連接圖與負載特性

定電流模式對負載電流I進行采樣，與給定電流值進行比較，控制電子負載的導通程度，以保持負載電流恒定，與輸入電壓大小無關。若被測輸入電壓為8V，由設定電流100mA，則當調節被測電壓為10mV，取樣電阻R1為0.1Ω時，負載上的電流值應維持在100mA不變，而此時電子負載的電阻值是可變的。

1.2 定電壓模式

圖3 定電壓模式電子負載與電源的連接與外特性

定電壓模式的電路連接圖與負載特性圖見圖3的（a）與（b）。在定電壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據所設定的負載電壓而定，此時負載電流將會增加直到負載電壓等于設定值為止，即對負載電壓值進行采樣，與給定電壓值進行比較，控制電子負載的導通程度，以保持負載電壓恒定。該電路中運放引入電壓串聯負反饋。當給定值為1.2V時恒壓值為2.4V。

恒壓：U0＝UREF（1＋R1／R3）

1.3 定電阻模式

定電阻模式的電路連接圖與負載特性圖見圖4的（a）與（b）。

圖4 定電阻模式電子負載與電源的連接與外特性

在定電阻工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據所設定負載電阻和輸入電壓的大小而定，此時負載電流與輸入電壓成正比例，比值就是所設定的恒電阻。其電壓和電流值的采樣是同時進行的，并根據測得的電壓值控制電子負載的電流。若負載設定為10Ω，當輸入電壓在1～10V變化時，電流變化則為100mA～1A。同時恒阻可調節，在恒流電路的基礎上，檢測出輸入電壓，由單片機計算應流出電流，并轉換為VRE輸入到電路中，實現恒阻功能。

2 直流電子負載電路設計

2.1 單片機控制器

采用51系列單片機擔任控制器。單片機部分包括鍵盤、LCD液晶顯示器、串行EEPROM、集成溫度傳感器DS18B20、時鐘芯片DS1302。電路圖見圖5，鍵盤模塊接單片機P2口，圖中沒有畫出。單片機采用宏晶8051系列單片機STC12C5A60S2。

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2.2 A／D、D／A模塊

根據精度要求選擇A／D、D／A模塊。本實例中根據筆者手頭現有的芯片，A／D模塊選用AD7705，D／A模塊選用TLC5638。

A／D轉換采用16位A／D轉換器AD7705，AD7705是雙通道全差分模擬輸入。當電源電壓為5V、基準電壓為2.5V時，可將輸入信號范圍從0～＋20mV到0～＋2.5V的信號進行處理。還可處理±20mV～±2.5V的雙極性輸入信號。因此，AD7705可以實現2通道系統所有信號的調理和轉換。

圖5 單片機控制電路

TLV5638是TI公司的12位D／A轉換器，具有兩個輸出通道，數據傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數據由16位的數據組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數據。性能優良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便。供電電源：2.7V～5.5VDC。

2.3 電子負載與信號采樣電路

恒流恒阻電路圖見圖6，恒壓電路圖見圖7。圖中，MOSFET是負載調整管。I與V分別是負載電流采樣與負載電壓采樣信號。

圖6 恒流恒阻電路圖

圖7 恒壓電路圖

2.3.1 負載調整管的選擇

對于直流電子負載，選擇管子的時候，首先要考慮管子的極限參數，即擊穿電壓V（BR）DSS、最大電流ID和最大耗散功率PD應能滿足電路長期安全工作的需要。為獲得較好的電氣性能，要選用閾值電壓VGS（th）低，漏源導通電阻RDS（on）小，跨導gfs大的管子。本文選用IRFB4310型場效應管，其擊穿電壓 V（BR）DSS≤100V、最大電流ID≤140A和最大耗散功率PD≤330W，閾值電壓 VGS（th）≈3V，漏源導通電阻 RDS（on）≈5.6mΩ，跨導gfs≥160S，用于低壓直流場合完全適用。當需要更大的負載電流時，可以使用多個FET管并聯工作。

2.3.2 驅動電路

D／A轉換器的輸出電壓，要經放大以后，才能驅動FET工作。運算放大器U1和U2擔任驅動。

2.3.3 采樣電路

根據工作方式不同，要對不同的電路參數采樣。采樣電路所獲的信號，要經過調理，使之滿足AD轉換模塊的需要。

R8是電流采樣電阻。R8上的電壓經U3放大后，送A／D轉換器。R7和R9組成分壓器，對負載電壓進行采樣，其輸出送另一路AD轉換器。

3 系統測試

3.1 測試數據

測量電路見圖8、圖9。

圖8 恒壓測量電路

圖9 恒流測量電路

對電路恒壓模式的檢測數據見表1，測量原理見圖8恒壓測量電路，實際電路見圖7恒壓電路，其中VREF為運放反相輸入端。

表1 電路恒壓模式檢測數據

對電路恒流模式的檢測數據見表2，測量原理見圖9恒流測量電路，實際電路見圖6恒流電路圖，其中VREF為運放同相輸入端。

表2 電路恒流模式的檢測數據（R采樣＝0.1Ω）

對電路恒阻模式的檢測數據見表3，檢測原理圖見圖9恒流測量電路，實際電路見圖6恒流電路，其中VREF為運放同相輸入端。

表3 電路恒阻模式的檢測數據（R采樣＝0.1Ω）

3.2 測試結果分析

由實際測試結果分析，系統工作穩定可靠，在額定工作條件下，精度較高。電流的輸出范圍為0.1A-2A，相對誤差小于5%，調節時間0.6～0.8s；電壓輸出范圍為1-20V，相對誤差小于5%，調節時間小于3s。恒阻模式時，測量精度為3%。因此本方案較好完成了題目的要求。

4 結論

本直流電子負載采用單片機控制，可以實現智能控制；能夠實現恒流、恒壓、恒阻模式的的正常工作；能夠直接檢測被測電源的電流、電壓及功率值，各個參數都能直觀的在液晶屏上顯示；采用無線遙控控制，操作簡單。

電壓設置及調節范圍：1.00-20.0V，相對誤差小于5%，調節時間小于3s。

電流設置及調節范圍：100mA-2.00A，相對誤差小于5%，調節時間小于3s。

經過大量的調試、測試本系統能夠滿足預定的設計要求。

需要說明的是，由于采用了手頭現有的元件進行實驗，所選元件并不一定是最經濟、最合適的選擇，但肯定是安全的。

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